JP2005207738A - 熱伝導を利用した温度環境実験機とその制御方法及び温度特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各々異なった温度環境を提供する熱伝チャンバーにおいて被測定体の温度を測定する事のできる、熱の伝導を利用した温度環境実験機と、その制御方法及び温度特性の測定方法を提供する。
【解決手段】制御用温度センサーに内蔵されているアルミ冷熱板3の下部面に熱伝素子1が取り付けられており、上記熱伝素子の下部に冷却水管4の内設された水冷ジャケット5が取り付けられ、外側に多数個のゲート支持台7が入設され、下部開口形の箱体ゲート10がゲート支持台の内部にて上下運動するように設けられ、ゲートの上部に被測定体の温度を測定するプローブ・セットが一定遊隔の範囲内で上下運動できるよう貫通して設置されてなる作動部と、本体部の上部支持台に固定設置されて、その一側端部がゲートの上端に取り付けられて、箱体のゲートがアルミ冷熱板の上部面を開閉するように設置されたエア・シリンダー17を包含して、一つの熱伝チャンバーが構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷熱板による熱伝導方式の温度環境実験機に係わるものであり、より詳細には、熱伝素子に取り付けられている冷熱板とエア・シリンダーにより開閉し、プローブ・セットの設けられているゲートで構成された熱伝導方式の熱伝チャンバー及び上記チャンバーが多数個直列に配置され、各々の熱チャンバーへ移送装置が被測定体を順次に移送させながら、特定の温度に設定され、各々の異なった温度環境を提供する熱伝チャンバーにおいて被測定体の温度特性を測定できる、熱伝導を利用した温度環境実験機とその制御方法及び温度特性の測定方法に係わるものである。

従来の温度環境実験機は、広い容積の中に多くの被測定体を入れ、温度の変化を起こし、実験機の内部の大気の温度を測定し、被測定体の温度が大気温度と同一になったと判断される予測時間を置き、その時間の経過した後で測定を始める。

しかし、これは、被測定体の正確な温度ではなく、温度センサーの位置及び種類によって広い温度範囲で多様な温度の偏差が発生するため、これを補正し測定するには、とても困難な問題点があった。従って、精密な温度特性の要求される被測定体の測定には適していなかった。

即ち、被測定体の温度の変化を内部空気の流れを通じた強制対流方式を採用する為、空気の流れ及び被測定体の位置による温度の均一度の低下は、被測定体の温度の精密度に深刻な問題を惹き起こし、広い空間の大気温度を迅速に変化させ、これを通じて被測定体の温度を大気温度と同一にするにはかなり長い時間と熱量を必要とする為、特定温度に変化させて、その状態で続けて維持したい場合にだけ使用される、活用度の低いシステム等が装着されなければならないので、浪費が生じ、低温冷却用に圧縮機を使用する場合、騒音や環境問題を発生させる事になる。

尚、測定にあたり、マルチ・プロービングシステムによりプローブ・インピーダンス誤差による測定誤差を排除し難く、多数の被測定体に電源を供給しようとする場合、大容量の電源供給器が必要になり、多数個の被測定体の中で、測定したい一個を選択する回路が、被測定体の特性によって複雑になり得る。

尚、温度の制御において、広い温度を制御、統制しなければならない為、制御機が複雑になるが、零下の温度、常温そして高温（６０℃以上）において制御アルゴリズムが異ならなければならず、アンダーオーバーシュートが少ないように設計しなければならない等種々の問題を発生させる。

本発明の目的は、上記のような従来の問題点を解決する為、熱伝素子の冷熱板による精巧な温度の制御と熱伝導方式により、被測定体に設定温度を正確に伝達し、従来の対流方式の問題点を克服し、各々異なった一つの温度だけで設定された多数個の熱伝チャンバーを直列に配置し、多数個の被測定体を移送しながら同時に、各々異なる温度環境にて、温度特性を測定できるようにした、熱伝導を利用した温度環境実験機と、その制御方法及び温度特性の測定方法を提供することにある。

このようになる本発明は、各々異なる単一の温度に設定された、多数個の熱伝チャンバー（５０）が直列に連結され、多数の温度区間を形成し、被測定体（１３）の迅速な移送と精密な検査を通じて、精密な温度の測定がなされるようにし、高い生産性と正確な測定ができ、熱伝素子（１）を利用した超小型温度環境実験機（１００）は既存の大容量の温度環境実験機（１００）に比べて低電力で温度制御が容易であり、実質的にアルミ冷熱板（３）の熱量を被測定体（１３）に熱伝導によって伝達する為、冷熱板（３）の温度だけを制御するので熱量の浪費がなく、空気の流れを最小化する構造に設計され、対流による熱の損失を阻止でき、温度環境実験機（１００）の熱伝チャンバー（５０）は単一の温度ばかりを制御するので制御器の構造が簡単であり、制御アルゴリズムもまた簡略化できる効果がある。

又、測定に際し、既存の大量の被測定体（１３）を測定する場合と違って、一つの熱伝チャンバー（５０）で一つの被測定体（１３）だけを測定する為、被測定体（１３）の浪費する程度の電力と被測定体（１３）の特性に適した計測器を装着して使用でき、温度を熱伝チャンバー（５０）の温度でなく被測定体（１３）の温度を測定、記録して測定開始を知らせるようになるため、既存の温度環境実験機の問題である予測待機時間がなく、温度の均一度及び温度の正確度とは関係なくなり、設定温度に先に到達した被測定体（１３）を測定するので、順次的な測定に比べ測定速度が速い効果がある。

以下、本発明の構造及び作用を添付の図面によって詳細に説明すると次の通りである。

第一次熱伝素子（１）の下部に第２次熱伝素子が融合し、上記第一次熱伝素子（１）の上部に制御用温度センサー（２）の内蔵されたアルミ冷熱板（３）が設けられ、第二次熱伝素子（１）の下部に冷却水管（３）が設けられ、第二次熱伝素子（１）の下部に冷却水管（４）の内設された水冷ジャケット（５）が取り付けられ、水冷ジャケット（５）の下部に制御部（６）が設けられ、外側部に多数個のゲート支持台（７）が入設され、ゲート支持台（７）の上端に上部支持台（８）が設置されてなる本体部（９）と、下部開口形の箱体のゲート（１０）が上記本体部（９）のゲート支持台（７）の内部で上下運動するよう設置され、ゲート（１０）の上部に無水分気体投入口（１１）が空けられ、スプリング内臓形のプローブ・ピン（１２）多数個と被測定体（１３）の温度を監視する温度センサー（１４）とでなるプローブ・セット（１５）が一定の遊隔範囲で上下連通されるように貫通して設置される作動部（１６）と、上記本体部（９）の上端の上部支持台（８）に固定設置され、その一側部が本体部（９）の内側に設置されたゲート（１０）に取り付けられて上下作動させるエア・シリンダー（１７）を含めて構成された一つの熱伝チャンバー（５０）とで温度環境実験機（１００）が構成される。

尚、上記のように構成された熱伝チャンバー（５０）を多数個連結して実施する事もできるが、この場合は、上記の熱伝チャンバー（５０）多数個が各々異なった温度に設定されて一列に配置され、移送装置（１８）が特定の温度に設置された各々の熱伝チャンバー（５０）にて温度特性の測定を終えた被測定体（１３）を別の特定温度に設定された熱伝チャンバー（５０）のアルミ冷熱板（３）の上へ移動するように設置されて構成されるが、ここでの移送装置（１８）はステップモーター（２１）によって駆動するベルト（２２）で構成され、上記ベルト（２２）は一列に設置された熱伝チャンバー（５０）等の各々のゲート（１０）とアルミ冷熱板（３）の間に設置されており、ステップモーター（２１）の駆動により移送される。勿論、ベルト（２２）の位相はエア・シリンダー（１７）によってゲート（１０）が上部に上昇した時に移送され、ステップモーター（２１）が移送距離を決定する事になる。従って、上記のように、各々異なった温度に設定された熱伝チャンバー（５０）を多数個一列に設置すると、被測定体（１３）を順次に移送し、多様な温度環境において、温度特性が測定できる熱伝導を利用した温度環境実験機（１００）が構成される。

図面中、符号１９は、温度設定操作部であり、２０は状態表示部である。

アルミ冷熱板（３）の下部に設置した熱伝素子（１）が低温（−４０℃〜０℃）を維持する為に冷凍構造を持っている場合は、第一次熱伝素子（１）と第二次熱伝素子（１）の二つが必要であり、常温及び高温用に使用する場合は上記熱伝素子（１）の内一つだけ使われる。

熱伝素子（１）はペルチェ効果を有する冷却加熱素子であり、供給される電源電圧の極性によって冷却及び過熱がなされる。熱伝素子（１）の二元冷凍構造は第一次熱伝素子（１）の吸収したアルミ冷熱板（３）の熱量を第二次熱伝素子（１）が冷却素子になり、高い温度差を通じて迅速に水冷ジャケット（５）へ伝達し、アルミ冷熱板（３）の温度を迅速に下げて維持できる。

アルミ冷熱板（３）は熱伝素子（１）の熱量を保持しながら、被測定体（１３）への迅速な熱量伝達を可能にする。尚、アルミ冷熱板（３）に内蔵されている制御用温度センサー（２）は、アルミ冷熱板（３）の現在温度を制御部に伝達し、常に設定された温度でアルミ冷熱板（３）の温度を維持させる役割をする。従って、各々の熱チャンバー（５０）は、アルミ冷熱板（３）と、これに内設した制御用温度センサー（２）によって、一定の温度を常に維持するようになる。

ゲート（１０）にはプローブ・ピン（１２）と被測定体（１３）の温度を監視する温度センサー（１４）で構成されたプローブ・セット（１５）があり、これは被測定体（１３）に電源及びシグナルの入出力を担当する。被測定体（１３）の種類によりプローブ・ピン（１２）の個数は異なってき、装置されたサーモ・カップル或いはその他の温度センサー（１４）は、被測定体の温度を実時間に測定できるようにし、ゲート（１０）の上端に空けられている無水分気体投入口（１１）は純度の高い適定量の窒素等を継続的に投入して、霜の発生を最小化せしめ、制湿の機能を果たすようになる。

即ち、無水分気体は、ゲート（１０）の開閉の際、外部からの水分の流入を防ぐ為、ゲート（１０）の内部へ継続的に供給される。

エア・シリンダー（１７）はゲート（１０）を開閉し、又同時にプローブ・セット（１５）を被測定体（１３）に接触させると同時に、被測定体をアルミ冷熱板（３）に密着するようにし、水冷ジャケット（５）は冷却水の供給を受け、熱伝素子（１）から発生した熱量を迅速に外部へ放出できるようにする。

制御部（６）は温度の設定ができる温度設定操作部（１９）と、現在温度及び設定温度を表示する発光ダイオード（ＬＥＤ）でなる状態表示部（２０）を有し、アルミ冷熱板（３）の温度を感知し、熱伝素子（１）に供給される電源をパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）によって制御し、供給電源の極性を反転させる役割をする。又、設定温度に到達したかどうかや種々な状態を外部に連結されたコンピューターに伝達する。

上記のような要素で構成された各々の熱伝チャンバー（５０）は、多数個が直列に連結され、各々の熱伝チャンバー（５０）は単一の温度だけに設定されて、移送されて来る被測定体（１３）の温度特性を測定することになる。

被測定体（１３）を多数個の熱伝チャンバー（５０）へ順次に移送する装置は、一般の小型移送装置（１８）を使用する。これには、コンベヤーベルト、或いは、ピック・アンド・プレースのロボット方式等、多様に使用する事もできる。本発明において、移送装置（１８）の実施例はステップモーター（２１）によって駆動するベルト（２２）で構成される。

尚、プローブ・セット（１５）は、被測定体（１３）の温度や製品の性能を評価できる多様な計測器のプローブ・ピンで構成されゲート（１０）に装着されて、ゲート（１０）と同時に上下運動することにより、被測定体（１３）とアルミ冷熱板（３）とのしっかりした密着を通じて、より速く被測定体（１３）への熱の伝達を可能ならしめると同時に、被測定体（１３）の温度を読んで測定の開始を指示できるようになっている。

このように、一つの熱伝チャンバーを使用して被測定体（１３）の温度特性を測定することもでき、多数個の熱伝チャンバー（５０）を一列に設置して、温度環境実験の必要な製品を単一に設定されている温度区域の熱伝チャンバー（５０）にて測定・評価した後、別の設定温度区域に設定された別の熱伝チャンバー（５０）へ移送して測定できるように構成する事もでき、この場合は被測定体（１３）の温度変化速度の向上と既存の多くの被測定体（１３）を装着した温度環境実験機において現れた問題であった温度の不均一、温度区間においての温度の偏差、マルチ・プロービングによる測定誤差を最小化し、精密な測定が可能になる。

図４は４種の異なった温度環境を試験する為、別々の温度に設定された４つの熱伝チャンバー（５０）が直列に連結された実施例である。即ち、各々の熱伝チャンバーが連結され、ステップ・モーター（２１）とギア及びベルト（２２）でなる移送装置（１８）が結合されている。図４に図示した実施例の作動の為の制御アルゴリズムは図６に示してある。

各々の熱伝チャンバー（５０）には個別に交流電源が供給され、各々の熱伝チャンバー（５０）においては、制御部（６）へ待機信号とエラー信号だけを電送し、各々の熱伝チャンバー（５０）は、設定温度に到達した場合、制御部（６）から待機信号を外部コンピュータ-へ伝達する。各熱伝チャンバー（５０）の中で温度制御の問題が発生した場合は、エラー信号を電送し、システムの停止を要請するようになる。

コンピューターは、連結されている装置などが待機状態であれば、移送命令を下す。移送命令が下されると、エア・シリンダー（１７）の作動によりゲート（１０）が上昇され、次いで移送装置（１８）が稼動するが、被測定体（１３）の設置されたベルト（２２）がステップ・モーター（２１）の駆動によって移送され、被測定体（１３）が熱伝チャンバー（５０）の内部の適正位置に到達すると、ベルト（２２）の移送は停止し、この時エア・シリンダーが作動し、ゲート（１０）が下降し、移送正常有無の信号をコンピューターに伝達する。上記の過程によって被測定体（１３）は箱体のゲート（１０）が形成した温度・環境に置かれるようになる。

上記のような一連の移送過程により、ベルト（２２）に置かれた被測定体（１３）は熱伝チャンバー（５０）の内部へ移送され、多数個が同時に一定間隔で移送されるので、多数個の被測定体（１３）が同時に、各々異なった設定温度下の熱伝チャンバー（５０）で温度特性が試験される。即ち、多数個の被測定体（１３）各々は、各々の熱伝チャンバー（５０）内に移送されるので、結局各々の熱伝チャンバー（５０）には一つの被測定体（１３）だけが位置され測定される。

ベルト（２２）による被測定体（１３）の移送関係を詳細に調べてみると次の通りである。

熱伝チャンバー（５０）が設定温度に到達すると、エア・シリンダー（１７）が作動し、ゲート（１０）が上昇するようになり、このときベルト（２２）がステップ・モーター（２１）の駆動によって一定距離移送するようになる。上記の移送距離は熱伝チャンバー（５０）の設置間隔による。従って、被測定体（１３）は、各々の熱伝チャンバー（５０）の内部に位置するようになるが、特に被測定体（１３）はアルミ冷熱板（３）の上部面に位置するようになり、アルミ冷熱板（３）に直接接触し、対流でない熱伝導方式で熱の伝達がなされるようになる。勿論ベルト（２２）には、被測定体（１３）を取り付ける事のできる構造とアルミ冷熱板（３）に被測定体（１３）を接触させられる構造を持つのは当然である。

尚、被測定体（１３）が上記の如くアルミ冷熱板（３）の上部面に安着すると、エア・シリンダー（１７）の作動によってゲート（１０）が下降するようになる。ゲート（１０）は下部開口形の箱体である為、ゲート（１０）が下降すると完全な温度環境がなされるようになる。

従って、コンピューターは各々の制御部（６）から伝達される待機信号に合わせて、温度センサーで被測定体（１３）の温度を読み、これを補正して、設定温度の設定誤差範囲に入る場合、被測定体(１３)の温度測定命令を各熱伝チャンバーに伝達し、測定されたデータを集合、貯蔵する。

ここで図４のような４つの熱伝チャンバー（５０）で構成される場合は、４つの被測定体（１３）が各々の熱伝チャンバー（５０）において測定待機され、先に設定誤差範囲に入る被測定体（１３）から温度特性を測定し、全て測定完了の後、全体を移送させるようになる。従って、順次に測定するより、時間が短縮される事になる。

各々の温度区間で測定が全部終わった場合、再び移送装置（１８）への移送命令から再開始する。

このように本発明はＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）及び水晶振動子（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｕｎｉｔ）等全数の温度検査及び正確な温度による特性の確認を要する製品の生産において、生産性の向上と電力消費の節減及び快適な作業環境を提供できるようになる。

本発明の熱伝チャンバーの全体正面図である。 本発明の熱チャンバーの本体後面図である。 本発明の作動部の状態図である。 本発明の熱チャンバーが多数個直列配置された温度環境実験機である。 本発明の制御部のブロック図である。 本発明の温度環境実験機の制御アルゴリズムである。

符号の説明

１ 熱伝素子
２ 制御用温度センサー
３ 冷熱板
４ 冷却水管
５ 水冷ジャケット
６ 制御部
７ ゲート支持台
８ 上部支持台
９ 本体部
１０ ゲート
１１ 無水分気体投入口
１２ プローブ・ピン
１３ 被測定体
１４ 温度センサー
１５ プローブ・セット
１６ 作動部
１７ エア・シリンダー
１８ 移送装置
１９ 温度設定操作部
２０ 状態表示部
２１ ステップ・モーター
２２ ベルト
５０ 熱伝チャンバー
１００温度環境実験機

Claims (8)

1. 制御用温度センサー（２）が内蔵されているアルミ冷熱板（３）の下部面に、熱伝素子（１）が取り付けられ、上記熱伝素子（１）の下部に冷却水管（４）が内設された水冷ジャケット（５）が取り付けられ、上記水冷ジャケット（５）の下部に制御部（６）が設置され、片側部に多数個のゲート支持台（７）が入設され、上記ゲート支持台（７）の上端に上部支持台（８）が設置されてなる本体部（９）と、下部開口形の箱体のゲート（１０）が、上記の本体部（９）のゲート支持台（７）の内部で上下連動するよう設置され、上記ゲート（１０）の上部に被測定体（１３）の温度を測定するプローブ・セット（１５）が一定の遊隔の範囲で上下連動できるように貫通して設置されてなる作動部と、上記本体部（９）の上部支持台（８）に固定設置され、その一側端部がゲート（１０）の上端部に取り付けられ、箱体のゲート（１０）がアルミ冷熱板（３）の上部面を開閉させるように設置されたエア・シリンダー（１７）を含め一つの熱伝チャンバー（５０）が構成された、熱伝導を利用した温度環境実験機。
2. 請求項１において、熱伝素子（１）は、二つが相接着し、高い温度差に依って冷却効率を増大させる二元冷凍構造を有する熱導を利用した温度環境実験機。
3. 請求項１において、プローブ・セット（１５）はスプリングが内蔵され一定の遊隔範囲で上下弾性運動する一つ以上のプローブ・ピン（１２）及び被測定体（１３）に接触して温度を測定する温度センサー（１４）でなる熱伝導を利用した温度環境実験機。
4. 請求項１において、ゲート（１０）の上部に無水分気体投入口（１１）が開けられた熱伝導を利用した温度環境実験機。
5. 電源の極性変化に依り加熱と冷却を遂行する熱伝素子（１）と、上記熱伝素子（１）に接触し単一の特定温度に依って制御される冷熱板（３）と、下部開口形の箱体で上下昇降運動し、上記の冷熱板（３）を開閉するゲート（１０）と、上記ゲート（１０）の昇降運動に依り冷熱板（３）に接触した被測定体（１３）に遊離又は接触するようにゲート（１０）の内部上端に設置された温度センサー（１４）とプローブ・ピン（１２）で構成されたプローブ・セット（１５）を包含して構成された熱伝チャンバー（５０）の多数個が隣接して設置され、上記各々の熱伝チャンバー（５０）を構成するアルミ冷熱板（３）の上部面と上記の上部面で昇降作動するゲート（１０）の間を通るようにステップ・モーター（２１）に依って駆動するベルト（２２）が設置され、ゲート（１０）が上昇した時ベルト（２２）が移送されアルミ冷熱板（３）の上部面に被測定体（１３）が移送された時、ゲート（１０）が下降して温度測定環境を作るように構成された、熱伝導を利用した温度環境実験機。
6. 請求項１の熱伝チャンバー（５０）を利用し被測定体（１３）の温度特性を測定する方法において、熱伝素子（１）の電源電圧の極性を変換させ、熱伝チャンバー（５０）に設置されたアルミ冷熱板（３）を設定温度に制御する段階と、アルミ冷熱板（３）が設定温度に到達した時、被測定体（１３）をアルミ冷熱板（３）に直接接触させ、プローブ・ピン（１２）と温度センサー（１４）を被測定体（１３）に直接接触させる段階と、被測定体（１３）がアルミ冷熱板（３）との熱伝導に依り、設定温度に到達したか否かを温度センサー（１４）が感知し、設定温度に到達した場合、プローブ・ピン（１２）に依って被測定体（１３）の温度特性を測定する段階を含める事を特徴とする、熱伝導を利用した温度特性の測定方法。
7. 各々特定の温度に設定され、隣接して設置された多数個の熱伝チャンバー（５０）に、被測定体（１３）を順次に移送し、各々の温度環境にて温度特性を測定する方法の構成において、熱伝素子（１）を利用し各々の熱伝チャンバー（５０）に設置されたアルミ冷熱板（３）を設定温度に制御する段階と、アルミ冷熱板（３）が設定温度に達した時、被測定体（１３）を熱伝チャンバー（５０）の内部へ移送させ、アルミ冷熱板（３）の上部面に接触させる段階と、プローブ・ピン（１２）と温度センサー（１４）を被測定体（１３）に接触させ、被測定体（１３）がアルミ冷熱板（３）との熱伝導に依り設定温度に到達した時、各々の温度環境において被測定体（１３）の温度特性を測定する段階と、被測定体（１３）を別の温度に設定された熱伝チャンバー（５０）の内部へ移送させ、異なった温度環境においての温度特性を測定する段階を含めて構成される事を特徴とする、熱伝導を利用した温度特性の測定方法。
8. 一列に連結された各々の熱伝チャンバー（５０）が、設定温度に到達した時、制御部（６）から待機信号を外部コンピューターへ伝達する段階と、コンピューターに連結されている装置等を待機させ、エア・シリンダー（１７）に命令を下し、ゲート（１０）を上昇させる段階と、移送装置（１８）を作動し、被測定体（１３）を熱伝チャンバー（５０）の内側へ移動させ、エア・シリンダー（１７）を作動し、ゲート（１０）を下降させ、プローブ・ピン（１２）と温度センサー（１４）を被測定体（１３）に接触させる段階と、移送の異常の有無を判断し、信号をコンピューターへ伝達してフィード・バックする段階と、温度センサー（１４）にて全ての被測定体（１３）の温度を読みとり、これを補正して設定温度の誤差範囲に先に入って来る被測定体（１３）から温度特性を測定する段階と、測定されたデータを集合、貯蔵する段階を包含する事を特徴とする、熱伝導を利用した温度環境実験機の制御方法。
   

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