JP2006078039A - 恒温発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量、小型で持運びができ、設定された任意の超低温域の温度を維持できる恒温発生装置を提供すること。
【解決手段】 恒温ブロック３に熱媒体流路となる空洞部３８を設け、この空洞部３８に循環させる熱媒体７を所定温度に冷却するフリーピストン型スターリング冷凍機２を設け、このフリーピストン型スターリング冷凍機２の吸熱部４と前記恒温ブロック３の空洞部３８とを接続してこの空洞部３８に熱媒体７を循環させる配管６を設けるとともに、このフリーピストン型スターリング冷凍機２と恒温ブロック３との間にベローズ５２を設け、恒温ブロック３の温度を検知して前記フリーピストン型スターリング冷凍機２の出力を制御することにより恒温ブロック３を恒温化する制御装置９を設ける。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、低温用温度計測機器の校正など、低温域での精密な恒温環境を必要とする試験装置や検査装置等に用いる恒温発生装置に関する。

従来より、低温域での精密な恒温装置で試験や検査（例えば、低温用温度計計測器の校正など）を行う場合がある。そのため、このような恒温環境を作ることができる恒温発生装置が開発されている。

このような恒温環境を作る恒温発生装置の従来技術として、ペルチェ素子を用いて低温域を作成する恒温発生装置がある。このペルチェ素子は振動が無く、加熱と冷却の切替えができるなどの利点を持ち、現場への持運びができる恒温発生装置として、装置全体で１０ｋｇ程度のものが実現されている。しかし、この恒温発生装置では、実用に耐え得る低温領域での最も低い温度は−３０℃程度となっている（従来技術１）。

また、この−３０℃よりも低い温度を発生させる恒温発生装置としては、コンプレッサを複数段接続した方式によって実現されている（従来技術２）。

さらに、他の低温域を発生させる手段として、例えば、液化窒素を用いたり、またはドライアイスにエタノールを加えるなどの方法で、−６０℃以下の超低温域を発生させる装置も実現されている（従来技術３）。

なお、冷凍機の熱を効率よく伝えようとするサーモサイフォンに関する従来技術があるが（例えば、特許文献１参照。）、この構成では恒温ブロックに温度分布を生じて、高精度な温度制御による精密さが要求される恒温発生装置への適用は難しい。
特開２００３−２１４７５０号公報（第３，４頁、図３）

しかしながら、前記従来技術１では、−３０℃付近までの低温域を発生させるのが限界であり、それより低い低温域を発生させる恒温発生装置の実現は難しい。それ以上の低温域を発生させるためにはペルチェ素子を複数段接続する必要があるが、この場合には、非常に大きな発熱を生じて大掛かりな放熱処理が必要になるとともに、寿命を含む信頼性の低下を生じる。

また、前記従来技術２では、コンプレッサを複数段接続して運転するような非常に大掛かりな恒温発生装置となるため、作業現場等に簡単に持運んで使用することはできない。しかも、消費電力が数百W以上と大きくなり、この点からも作業現場等での使用は難しい。

さらに、前記従来技術３では、ある一点の低温域で一定温度とすることはできるが、任意の温度設定や細かい恒温制御は難しい。しかも、装置全体として非常に大掛かりな装置となる。その上、例えば、液化窒素による冷却手段のように、使用毎に冷却媒体が消耗品として消費されるので、多くのランニングコストが必要となる。

このように、従来の技術では、作業現場に持運んで低温校正等が実現できる精密な恒温発生装置としては、その恒温発生の低温域として−３０℃付近が限界であり、それよりも低い温度域に対しては、非常に大がかりな恒温発生装置を使用しなければならない。そのため、−３０℃よりも低温域で低温校正等を行なう場合、校正等の対象物を恒温発生装置が設置されている場所へ持ち込んで作業を行なう必要があり、往復の輸送や梱包、開梱など、費用、時間、労力を要する。

一方、近年、バイオ、医療、食品分野などで、現場や試験室へ手軽に持運んで低温域で使用できる恒温発生装置の必要性が高まってきている。このように、現場や試験室等へ持運んで使用できる装置とするためには、軽量、小型、省電力の装置であることが必要である。

他方、低温校正用途のように、高い精度と安定性が必要とされる用途に適する低温域での恒温発生装置の必要性も市場で高まってきている。この低温校正用途に使用する場合、精密で安定した、高精度な温度制御ができることが必要である。

そこで、本願発明は、軽量、小型で持運びができ、−６０℃以下のような低温でも、設定された任意の低温域の温度を維持できる恒温発生装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は、恒温ブロックを任意の低温で維持する恒温発生装置であって、前記恒温ブロックに熱媒体流路を設け、該熱媒体流路に循環させる熱媒体を所定温度に冷却するフリーピストン型スターリング冷凍機を設け、該フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部と前記恒温ブロックの熱媒体流路とを接続して該熱媒体流路に熱媒体を循環させる管路を設けるとともに、該フリーピストン型スターリング冷凍機と恒温ブロックとの間に変位吸収部材を設け、前記恒温ブロックの温度を検知して前記フリーピストン型スターリング冷凍機の出力を制御することにより恒温ブロックを恒温化する制御装置を設けている。これにより、フリーピストン型スターリング冷凍機で冷却した熱媒体によって恒温ブロックの全体を効率良く冷却し、低温域での精密な恒温環境を提供することができる。

また、前記変位吸収部材を、前記管路に可撓性を具備させて構成してもよい。この管路に可撓性を具備させる構成としては、管路全体を螺旋状やベローズ状に形成したり、管路の任意の部位を可撓性を有する継手で形成して、管路自体が変位を吸収できるような可撓性を具備している構成であればよい。このような管路によって、熱媒体の温度変化による管路の圧縮や膨張変位を吸収するとともに、フリーピストン型スターリング冷凍機で発生する振動が恒温ブロックへ直接伝わることを防ぐことができる。

さらに、前記変位吸収部材を、前記管路に可撓性を有するベローズを設けて構成すれば、このベローズが柔軟に変形することによって、熱媒体の温度変化による管路の圧縮や膨張変位を吸収するとともに、フリーピストン型スターリング冷凍機で発生する振動が恒温ブロックへ直接伝わることを防ぐことができる。

また、前記恒温ブロックにヒータを設け、前記制御装置に、該恒温ブロックで検出した温度に応じて前記フリーピストン型スターリング冷凍機の出力制御と前記ヒータの温度制御とを行って恒温ブロックを恒温化する機能を具備させれば、恒温ブロックの温度に応じてフリーピストン型スターリング冷凍機の出力制御とヒータによる加熱制御を行って、迅速に正確な温度に設定することができる。

本願発明は、以上説明したような手段により、軽量、小型で持運びができ、恒温ブロックを高精度で安定した低温域に温度制御して維持できる恒温発生装置を構成することが可能となる。

以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の第１実施形態に係る恒温発生装置の縦断面図であり、図２は同恒温発生装置内に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の縦断面図である。図３は図２に示すフリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部に取り付けるインサートブロックの図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図である。図４は図１に示す恒温発生装置内に設けた恒温ブロックの縦断面図である。この第１実施形態では、恒温発生装置を低温域での温度校正器として利用する例を説明する。

図１に示すように、恒温発生装置１（温度校正器）には、フリーピストン型スターリング冷凍機２（以下、単に「冷凍機」という。）と、恒温ブロック３と、この恒温ブロック３と前記冷凍機２の吸熱部４に取付けられたコールドヘッド５とを接続する配管６とが設けられている。この配管６が冷凍機２と恒温ブロック３とを接続する管路である。この配管６内には熱媒体７が循環しており、前記コールドヘッド５とこの配管６と恒温ブロック３とによって熱媒体７の循環流路が形成されている。この熱媒体７の循環流路は、完全に密閉された冷却系統を構成している。

この冷却系統によれば、冷凍機２の吸熱作用によってコールドヘッド５を介して熱媒体７を冷却し、その熱媒体７を冷却系統で循環させることによって恒温ブロック３を所定の温度まで冷却している。また、恒温ブロック３に組込まれた温度センサ８で検知した恒温ブロック３の温度を制御装置９ヘフィードバックし、この制御装置９によって冷凍機２の吸熱量を制御することで、恒温ブロック３が所定の恒温となるよう制御している。この実施形態では、制御装置９を装置本体１０内に設けているが、この制御装置９は装置本体１０と別体で構成してもよい。

以下、各構成を詳細に説明する。まず、図２に基いてフリーピストン型スターリング冷凍機を説明する。フリーピストン型スターリング冷凍機２としては、圧力容器１１の中にピストン１２とディスプレーサ１３を有し、また作動ガスとしてヘリウムが封入されている。なお、圧力容器１１に封入されている作動ガスはヘリウム以外のガスでもよい。

前記ピストン１２の外側には、永久磁石である磁石リング１４が配置されており、コイル１５に交流電源を印加することで、ピストン１２は上下連動を行なう、一種のリニアモータを形成している。

ディスプレーサ１３は、その柱がピストン１２を貫通して円板バネ２２で支えられているだけである。このディスプレーサ１３は、動力を受け取っておらず、ピストン１２の動きがヘリウムを介してディスプレーサ１３に伝わる。ばね定数と質量の関係から、ピストン１２とディスプレーサ１３の位相差が一定になるように設計されており、これに適切な周波数の交流電源をリニアモータのコイル１２に印加することで動作を開始する。なお、２３はバランサである。

ディスプレーサ１３の上部が膨張部１６、ピストン１２とディスプレーサ１３に挟まれた空間が圧縮部１７であり、ディスプレーサ１３を囲む空間が圧縮部１７と膨張部１６とをつなぐ流路になっている。この流路には、膨張空間の吸熱フィン１８、再生器１９、圧縮空間の放熱フイン２０が並設されている。再生器１９は、ヘリウムと熱をやりとりする機能があるが、外部にそれを伝えるのではなく、熱を受け取って蓄え、その熱をヘリウムへ返すものである。

そして、前記磁石リング１４と、コイル１５と、ピストン１２とで形成されるリニアモータのコイルに交流電源を印加することでシリンダ２１が上下運動を行い、また、このピストン１２と一定の位相差を持ちながらディスプレーサ１３が上下運動することで、結果、圧縮部１７の放熱フィン２０が加熱され、膨張部１６の吸熱フィン１８が冷却される。つまり、前記リニアモータのコイルに印加する交流電源を変化させることで、この上下運動の振幅を変化させることができ、この上下運動の振幅の幅を変化させることで膨張空間の吸熱量を変化させることができる。吸熱対象の負荷に対して、吸熱量が増えると負荷の温度は下がり、逆に、吸熱量が下がると負荷の温度は上がることから、リニアモータヘ供給する交流電源を制御することで、結果、負荷の温度制御が行える。

このように、フリーピストン型スターリング冷凍機２は、内部のリニアモータヘ供給する外部からの交流電力を制御することで、図１に示す吸熱部４に取付けられたコールドヘッド５を介して、冷却系統を循環させる熱媒体７の温度を簡単に制御することができる。

さらに、この実施形態では、冷凍機２を使用した場合に、内部のピストン１２の上下動作によって発生する振動を吸収するための構成と、図１に示すように排熱部２４に配置された放熱フィン２５から発生する熱の排気、及びリニアモータのコイル１５で発生する熱を排気するための構成が設けられている。

図１に示すように、前記振動を吸収するための構成としては、冷凍機２を冷凍機筐体２６に複数個の引張コイルバネ２７で支持する懸架装置２８によって構成されている。図１では、冷凍機２の周囲に設けた支持体２９の周囲数点に上下二本のバネ２７を取付け、このバネ２７の他端を冷凍機筐体２６側で支持することにより、冷凍機２の縦、横、斜めの三次元の振動を吸収するようにしている。

一方、前記排熱部２４に設けられた放熱フィン２５は、アルミニウムや銅などの熱伝導性のよい金属でできた、非常に大きな表面積を持ち、上から下への気体を流すことができる構造となっている。この放熱フィン２５は、冷凍機２の下部に設けた放熱ファン３０で外部から冷凍機筐体２６の内部に吸込んだ気体３１で冷却するようにしている。

つまり、冷凍機筐体２６の下側に設けられた放熱ファン３０を動作させることで、冷凍機筐体２６の上部から、懸架装置２８側へと外気３１を取り込み、この気体３１で放熱フィン２５と冷凍機２とを空冷し、放熱ファン３０を通じて排気するように構成されている。これにより、冷凍機２の排熱部２４とリニアモータのコイル１５の発熱部を冷却している。この構成によれば、冷凍機筐体２６の内部で効率的な排気処理を行うことができる。なお、この実施形態では放熱ファン３０を冷凍機２の下部に設けているが、この放熱ファン３０を冷凍機２の側面に設けても同様に冷却できる。

図３(a),(b) に示すように、前記冷凍機２の吸熱部４に設けられたコールドヘッド５は、内部に熱媒体７の流路３２が設けられている。このコールドヘッド５を介して流路３２内を流れる熱媒体７の冷却が行なわれる。

コールドヘッド５は、この実施形態では円筒状に形成されており、その外周の一部に分割部３３が設けられている。コールドヘッド５の内径は冷凍機２の吸熱部４の径とほぼ同等であり、このコールドヘッド５を冷凍機２の吸熱部４に嵌め込み、ビス穴ヘビス３４を入れて、ナットなどで締め付けることで簡単に取付けることができる構造となっている。このコールドヘッド５の材料としては、鋼またはアルミニウムなど、熱伝導性のよい金属で形成される。このようなコールドヘッド５により、フリーピストン型スターリング冷凍機２の冷却出力を熱媒体７へ高効率で伝えることができるようにしている。なお、このコールドヘッド５は、能動的に熱媒体７を循環させるような構成には限られず、例えば、サーモサイフォンを利用して熱媒体７の熱交換を行うようなものでも用いることができる。

このコールドヘッド５を冷凍機２の吸熱部４へ取付ける際には、吸熱部４とコールドヘッド５との間の熱抵抗を低減させるために、熱伝導性のよい、例えば、シリコーン接着剤などを塗布して取付けられる。

また、この実施形態では、コールドヘッド５の内部に熱媒体７の流路３２を設けているが、他に、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の良い管を流路として内蔵したコールドヘッドや、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の良い管を取り付けて流路を構成したコールドヘッドでもよい。

さらに、図1に示すように、このコールドヘッド５は、外部からの侵入熱を防ぐために断熱材３５によって外部と完全に遮断されている。断熱材３５としては、真空断熱材がよいが、発泡ポリウレタンなどでもよい。なお、コールドヘッド５を密閉された真空空間に完全に閉じ込めるような他の方法で侵入熱を防いでもよい。

図１，４に示すように、前記恒温ブロック３は、内壁３６と外壁３７との間に熱媒体７の流路となる空洞部３８が形成された二重構造で、それぞれが底板を有する円筒状に形成されている。この恒温ブロック３の外壁下端中央部には、配管３９が接続されており、この配管３９から空洞部３８に流れ込んだ熱媒体７は、内壁３６と外壁３７との間に形成された空洞部３８の全体を流れて上昇するように構成されている。これにより、熱媒体７で恒温ブロック全体の温度を均一に恒温化できるようにしている。

この恒温ブロック３の上端には、空洞部３８を流れて上昇した熱媒体７が溢れ出るオーバーフロー部４０が設けられている。このオーバーフロー部４０は、全周に設けられており、このオーバーフロー部４０から溢れ出た熱媒体７は全周から１箇所に集まり、配管４１へと流れ出るように構成されている。

恒温ブロック３の材料としては、銅やアルミニウムなど、熱伝導率が高い金属材料が好ましいが、他の金属材料でもよい。また、形状も円筒状に限らず、多角形状の筒やプレート、または箱状などであってもよく、内部に熱媒体７の流路を備えることができるものであればよい。

また、図１に示すように、この恒温ブロック３は、外気からの侵入熱を防ぐために断熱材４２によって断熱処理が施されている。断熱材４２は真空断熱材がよいが、例えば発泡ポリウレタンなどでもよい。この恒温ブロック３の周囲を断熱処理することにより、恒温ブロック３は外部からの熱の影響を受けることなく、効率的に恒温化される。

なお、熱媒体７の流路としては、銅やアルミニウムなど、熱伝導性の良い管を恒温ブロック３に内蔵したり、銅やアルミニウムなど、熱伝導性の良い管を恒温ブロック３に取り付けてもよい。これにより、恒温ブロック３の温度分布を小さくするとともに、高い温度安定性を実現している。

このような恒温ブロック３で温度校正器を構成する場合、被校正温度センサには様々な種類や形状があるため、これらに対して、形状の異なる被校正温度センサ毎に温度センサ挿入穴サイズを合わせたインサートブロック４３を用意し、このインサートブロック４３を恒温ブロック３内に挿入することで、実際の校正作業を行なう。

この実施形態のインサートブロック４３には、標準温度センサ挿入口４４と被校正温度センサ挿入口４５の２つの挿入口を備えている。これら２つの挿入口４４，４５は、インサートブロック４３の温度分布を考慮して、インサートブロック４３の上から見て同心円上に配置されている。

なお、被校正温度センサの挿入口を２つ準備するのは、被校正温度センサの値付けは、別に用意された標準温度センサで行なう場合を想定しているためである。標準温度センサを使用せず、恒温発生装置１の恒温ブロック３に組込まれた温度センサ８での検知温度によって被校正温度センサの値付けを行なう場合は、２つの挿入口４４，４５には、一度で２本の被校正温度センサを挿入できる。

また、このインサートブロック４３に開けられる被校正温度センサの揮入口４４，４５は、この実施形態のような２つには限られず、例えば、１つ、もしくは３つ以上の複数個でもよく、使用条件等に応じて決定すればよい。但し、この挿入口４４，４５は、インサートブロック４３の温度分布を考慮して、１つの場合はインサートブロック４３の上から見て中心部に、３つ以上の場合は、２つの場合と同様に、インサートブロック４３の上から見て同心円上に均一距離で配置する。

さらに、このインサートブロック４３としては、重さと熱伝導性のバランスを考慮すると、アルミニウムブロックが好ましい。但し、銅など、他の熱伝導のよい金属でもよい。

また、前記恒温ブロック３にインサートブロック４３を挿入して使用する際、恒温ブロック３とインサートブロック４３との隙間には、結露防止用の不凍液を入れることで結露を防いで恒温ブロック３とインサートブロック４３との間での熱伝導性を良くすればよい。この実施形態では、不凍液があふれた場合の受け口４６を装置にあらかじめ備えている。なお、この不凍液としては、ＨＦＥ、フッ素系不活性液体、エチルアルコールなどが使用できる。

さらに、この実施形態では、インサートブロック４３を恒温ブロック３に挿入することによって温度校正器として応用する例を説明したが、このインサートブロック４３を取外して恒温ブロック３を単独の小型恒温槽として応用してもよい。これにより、超低温で精密な恒温環境が必要とされる、小さな試料に対する実験や試験の装置として用いることができる。

一方、この実施形態では、図１に示すように、恒温ブロック３の下部にヒータ４７が設けられている。このヒータ４７は電気ヒータで構成されており、配線４８によって制御装置９と接続されている。ヒータ４７は、冷凍機２と恒温ブロック３との間の任意の位置に設けられていればよい。

このようにヒータ４７を設けることにより、設定温度を上げた場合の恒温ブロック３の温度上昇時間短縮と、より緻密で高精度な恒温ブロック３の温度制御が行えるようにしている。なお、このヒータ４７を付加しても、消費電力としては数W程度のみの追加であり、高精度の恒温制御を実現しながらも、恒温発生装置の省電力性を維持するができる。

そして、図１に示すように、このような恒温ブロック３と前記コールドヘッド５との間が配管６（管路）によって接続されている。この配管６の内部が、冷凍機２の吸熱部４に取付けられたコールドヘッド５と恒温ブロック３とを接続する熱媒体７の流路４９となっている。この配管６の流路４９と、前記恒温ブロック３の空洞部３８と、前記コールドヘッド５の流路３２とにより、熱媒体７が循環する冷却系統が構成されている。

この配管６には、送り側にポンプ５０が設けられており、このポンプ５０によって熱媒体７を冷却系統内で強制的に循環させている。このポンプ５０も配線５１を介して前記制御装置９で制御されている。この配管６の外側は断熱処理が施されている。この断熱処理により、配管６内を流れる熱媒体７は外部からの侵入熱を受けず、外部からの熱影響による配管内での温度分布変化を抑えている。これにより、冷凍機２で吸熱された超低温の熱媒体７は冷却系統内を高効率で循環する。

また、この実施形態では、配管６の一部に、可撓性を有する変位吸収部材たるベローズ５２が設けられている。このベローズ５２は、柔軟で伸縮性に優れ、変位吸収部材として好ましい。この可撓性を有するベローズ５２によって、冷凍機２の内部のシリンダが上下運動することで発生する振動が、直接、恒温ブロック３に伝わらないように吸収し、また、熱媒体７の温度変化による配管６の熱収縮による変位が恒温ブロック３ヘ伝わらないように吸収している。

すなわち、この熱収縮による変位として、熱媒体７（ＨＦＥ、フッ素系不活性液体、エチルアルコールなど）は、温度により膨張、圧縮され、温度が高いほど膨張することから、密閉された冷却系統内では熱媒体７の量が増え、逆に、温度が低いと圧縮されて、冷却系統内では熱媒体７の量が減ることによって生じるが、この配管６に設けた可撓性を有するベローズ５２が伸縮することによって、この熱媒体７の膨張、圧縮を吸収している。このように配管６の一部が撓むことによって振動や熱収縮を吸収しているので、冷却系統内では常に適量な熱媒体７を循環させることができる。前記可撓性を有するベローズ５２のような変位吸収部材としては、超低温で信頼性が確認されている素材であれば金属でも樹脂でもよい。また、この変位吸収部材としては、ベローズ５２以外に配管６の部分で変位を吸収できるような構成であればよく、配管６の一部や全体が可撓性を具備するような構成であってもよい。

このような冷却系統を循環させる熱媒体７としては、超低温域でも凝固せず、冷却系統をポンプ５０で強制循環させることができる粘度が極めて低いものが好ましい。また、地球環境対応の観点から、ノンフロンの媒体が好ましい。そのため、熱媒体７としては、ハイドロフルオロエーテル（以下、「ＨＦＥ」という。）や、フッ素系不活性液体（フロリナート（Ｒ））、またはエチルアルコールなどが使用される。なお、この熱媒体７は、超低温域で凝固しなければ、これらの熱媒体７と同等性能を持つ他の熱媒体でもよい。

また、熱媒体７にノンフロンの媒体を使用することにより、フリーピストン型スターリング冷凍機２の動作ガスもヘリウム、窒素または水素などのノンフロンであり、恒温発生装置１を完全にノンフロンの構成として、地球環境に優しい装置とすることができる。

一方、このように構成された恒温発生装置１の冷却系統は、コールドヘッド５が取り付けられた冷凍機２の部分と、配管６の部分と、恒温ブロック３の部分との、三つのブロックに分けることができる構成としている。このように、恒温発生装置１の内部でそれぞれのブロック毎に明確に分けた配置とすることで、どこか１箇所に問題が発生した場合でも、部品の取外しや交換がブロック毎に行なえるようにして、メンテナンス性の向上を図っている。つまり、冷凍機２の部分と、恒温ブロック３の部分と、配管６の部分との、３つのブロックに分かれた装置構成としているので、各ブロック毎に、パーツの取外しや交換が行なえるので、優れたメンテナンス性を有する。

このように構成された恒温発生装置１を温度校正器として使用する場合、例えば、４０Ｗ程度のフリーピストン型スターリング冷凍機２であれば、その重量は２ｋｇ程度であるので装置全体の重量を１０ｋｇ程度かそれ以下で実現できるとともに、０℃から−８０℃程度での校正作業が可能である。しかも、この出力の冷凍機２で、例えば、−２０℃へ冷却する場合の冷却効率（ＣＯＰ）は１．２以上が実現されている。このように、小型で軽量な低温域での使用が可能な恒温発生装置１が実現でき、恒温発生装置１を現場へ容易に持運んで、現場での試験や検査作業を行なうことが容易に可能となる。その上、冷却系統内で常に熱媒体７を循環させているので、高精度で安定し、且つ温度分布の無い、超低温での精密な温度調整が可能な恒温発生装置１を実現することができる。

図５は図１に示す恒温発生装置の動作を示すブロック図である。以上のように構成された恒温発生装置１によれば、以下のように動作して恒温発生させることができる。

すなわち、恒温発生装置１に設けられた温度設定パネル５２によって恒温ブロック３の設定温度を設定し、恒温発生装置１を運転する。

恒温ブロック３では、組込まれた温度センサ８によって恒温ブロック３の温度が検知されて制御装置９に入力される。制御装置９では、入力された温度と温度設定パネル５３（装置本体１０に設けられる）で設定した温度とを比較し、その比較結果に応じて冷凍機２の駆動回路５４（冷凍機２に含まれる）を制御することで冷凍機２の吸熱量を制御する。

この制御は、恒温ブロック３の温度が設定温度よりも低い場合には冷凍機２の吸熱量を減らし、逆に、恒温ブロック３の温度が設定温度よりも高い場合には冷凍機２の吸熱量を増やすように動作させる。この制御としてはＰＩＤ制御がよいが、負荷によっては簡単な比例制御などでもよい。

さらに、補助制御の目的で電気ヒータ４７も制御される。このヒータ４７を制御することにより、設定温度を上げたい場合の恒温ブロック３の温度上昇時間を短縮させることができる。また、例えば、冷凍機２の単独の制御で恒温ブロック３の温度が安定しない場合、ヒータ４７での補助制御を組み合わせることで、常に、高精度で精密な恒温の発生ができる。

しかも、冷凍機２の吸熱部４からコールドヘッド５を介して冷却した熱媒体７を、密閉された冷却系統の中で循環させて、恒温ブロック３の全体に熱媒体７を流すことにより、恒温ブロック全体の温度が均一となり、恒温ブロック自体の温度分布の発生を防ぐことができる。

また、このような恒温発生装置１によれば、低温域の温度校正器とした場合、小型、軽量化が図れるので、現場へ簡単に持運ぶことができる。しかも、温度校正器としての装置全体で消費電力を１００Ｗ未満程度に抑えることができるので、現場でも使用できる非常に小さい消費電力とすることができる。このように消費電力を抑えて小型・軽量で構成したとしても、フリーピストン型スターリング冷凍機２によって超低温領域で高い冷却効率を発揮するとともにそれを高効率に用いて恒温ブロック３を冷却できるので、校正温度として−８０℃程度を実現できる。

さらに、恒温発生装置１における冷却源である冷凍機２を更に冷却出力が大きな、例えば１００Ｗ程度のものを用いることで、−１００℃を超えるような更に低い低温域での精密な温度制御ができる恒温発生装置が実現できる。

したがって、この冷凍機２に好ましい冷却出力の機器を採用することにより、超低温域での精密な環境で試験や検査を行うために温度管理要求が必要とされているバイオ、医療、食品分野などでの恒温発生装置１として、簡単に持運びができる小型で軽量であり、超低温域で、安定した高精度な温度制御ができる恒温発生装置１を提供することが可能となる。

なお、熱媒体７を閉回路の循環系統で循環させて超低温の恒温を発生するように構成しているので、恒温発生装置１の使用時に交換や追加を必要とする冷却媒体や消耗品は無く、装置を動作させる際に必要なランニングコストは、実質、装置を動作させるための電気代のみで非常に安価にできる。

図６は本願発明の第２実施形態に係る恒温発生装置の縦断面図であり、図７は同恒温発生装置内に設けた恒温ブロックの図面であり、(a) は組立時の斜視図、(b) は分解時の斜視図である。この第２実施形態は、前記第１実施形態における恒温ブロックをプレート状に形成した点が異なっている。なお、冷却系統と各部の動作は前記第１実施形態における恒温ブロックを用いて低温校正器とした恒温発生装置１と同一であるため、前記第１実施形態の恒温発生装置１と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、この実施形態では、プレート状の恒温ブロックを恒温プレートという。

図６に示すように、この実施形態では、前記配管６の接続先が恒温プレート５５で構成されている。この恒温プレート５５の一面が配管３９，４１と接続されており、配管３９から恒温プレート５５内を熱媒体７が流れて配管４１から流れ出ることによって、この恒温プレート５５が所定の温度に冷却されている。

図７(a),(b) に示すように、この実施形態の恒温プレート５５は、上下２つの部材から構成されている。図示する上側のプレートは定温プレート５６であり、一定の温度に冷却される。下側のプレートは熱媒体用プレート５７であり、内部に熱媒体７が流れる流路５８が形成されている。この例では、配管３９の接続位置から配管４１の接続位置までの間で流路５８を長くするための仕切部材５９が設けられている。この仕切部材５９を設けることにより、熱媒体７が熱媒体用プレート５７内の全面に流れるようにしている。

これら定温プレート５６と熱媒体用プレート５７とは、熱伝導性の良い、例えばシリコーン接着剤などで接合される。定温プレート５６には温度センサ８が組込まれており、この温度センサ８で検知した定温プレート５６の温度を制御装置９ヘフィードバックすることで冷凍機２の動作を制御し、定温プレート５６を温度分布の無い、超低温恒温発生プレートとしている。

また、図６に示すように、この実施形態でも、恒温プレート５５にヒータ４７が設けられている。このように、冷却系統に電気ヒータ４７を追加することで、冷凍機２への制御と並行して、電気ヒータ４７でも補助的に冷却系統を制御することで、恒温プレート５５に対して、より高精度な温度制御、または、温度を高くする際の立ち上がり時間の短縮が可能なようにしている。

なお、この実施形態では、恒温プレート５５を熱媒体用プレート５７と定温プレート５６とで構成しているが、熱媒体用プレート５７の厚みと内部の熱媒体流路を適切に設計することで、定温プレート５６を省略することも可能であり、熱媒体用プレート５７単独で恒温プレート５５とすることもできる。この熱媒体用プレート５７と定温プレート５６は、銅またはアルミニウムなどの熱伝導のよい金属で形成される。また、図６に示すように、この例では、恒温プレート５５に蓋６０をし、この内部に低露点空気を入れることで恒温プレート５５の表面結露を防いでいる。

このような恒温プレート５５を使用した恒温発生装置６１の用途としては、冷却プレート、表面温度計の低温温度校正、半導体や電子部品の試験装置、検査装置など、超低温で、且つ、精密な恒温環境を必要とする装置として使用できる。

図８は本願発明の第３実施形態に係る恒温発生装置の図面であり、(a) は縦断面図、(b) は(a) に示すVIII部拡大断面図である。この第３実施形態は、前記第１実施形態における恒温ブロックを部分冷却ブロックに形成した点が異なっている。なお、冷却系統と各部の動作は前記第１実施形態における恒温ブロックを用いて低温校正器とした恒温発生装置１と同一であるため、前記第１実施形態の低温校正器１と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、この実施形態では、恒温ブロックを部分冷却ブロックという。

図示するように、この実施形態では、前記配管６の接続先に部分冷却ブロック６２が設けられている。この部分冷却ブロック６２は、配管３９，４１と接続されたフレキシブルチューブ６３，６４と、このフレキシブルチューブ６３，６４の周囲を断熱するフレキシブル断熱チューブ６５と、これらのチューブ６３，６４，６５の先端に設けられたブロック６６とを備えている。このプレート６６のフレキシブルチューブ側には冷却通路６７が形成されており、フレキシブルチューブ６３からこの冷却通路６７に入ってフレキシブルチューブ６４へ流れて循環する熱媒体７によって、ブロック６６が所定の低温に冷却されるように構成されている。

このような恒温発生装置６８によれば、部分冷却ブロック６２によって、装置から離れた場所の非常に小さな面積対象への部分冷却を作業性良く行なうことができる。そのため、個別電子部品の冷却試験や部分冷却が必要な医療機器の冷却などにも使用可能となる。

なお、前記実施形態における恒温ブロック３，恒温プレート５５，部分冷却ブロック６２は一例であり、これらの形態は前記実施形態に限定されるものではない。

さらに、前述した実施形態は一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は前述した実施形態に限定されるものではない。

本願発明に係る恒温発生装置によれば、低温用温度計測機器の校正を行う低温校正器等、低温域での精密な恒温環境を必要とする試験装置や検査装置に利用できる。

本願発明の第１実施形態に係る恒温発生装置の縦断面図である。 図１に示す恒温発生装置内に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の縦断面図である。 図２に示すフリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部に取付けるインサートブロックの図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図である。 図１に示す恒温発生装置内に設けた恒温ブロックの縦断面図である。 図１に示す恒温発生装置の動作を示すブロック図である。 本願発明の第２実施形態に係る恒温発生装置の縦断面図である。 図６に示す恒温発生装置内に設けた恒温ブロックの図面であり、(a) は組立時の斜視図、(b) は分解時の斜視図である。 本願発明の第３実施形態に係る恒温発生装置の図面であり、(a) は縦断面図、(b) は(a) に示すVIII部拡大断面図である。

符号の説明

１…恒温発生装置
２…フリーピストン型スターリング冷凍機
３…恒温ブロック
４…吸熱部
５…コールドヘッド
６…配管
７…熱媒体
８…温度センサ
９…制御装置
１０…装置本体
１２…ピストン
１３…ディスプレーサ
１６…膨張部
１７…圧縮部
１８…吸熱フィン
１９…再生器
２０…放熱フィン
２１…シリンダ
２４…排熱部
２５…放熱フィン
２６…冷凍機筐体
２７…引張コイルバネ
２８…懸架装置
２９…支持体
３０…放熱ファン
３１…気体
３２…流路
３３…分割部
３４…ビス
３５…断熱材
３６…内壁
３７…外壁
３８…空洞部
３９…配管
４０…オーバーフロー部
４１…配管
４２…断熱材
４３…インサートブロック
４４，４５…挿入口
４７…ヒータ
４９…流路
５０…ポンプ
５２…ベローズ
５３…温度設定パネル
５４…駆動回路
５５…恒温プレート
５６…定温プレート
５７…熱媒体用プレート
５８…流路
５９…仕切板
６０…蓋
６１…恒温発生装置
６２…部分冷却ブロック
６３，６４…フレキシブルチューブ
６５…フレキシブル断熱チューブ
６６…ブロック
６７…冷却通路
６８…恒温発生装置

Claims (4)

1. 恒温ブロックを任意の低温で維持する恒温発生装置であって、
   前記恒温ブロックに熱媒体流路を設け、該熱媒体流路に循環させる熱媒体を所定温度に冷却するフリーピストン型スターリング冷凍機を設け、該フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部と前記恒温ブロックの熱媒体流路とを接続して該熱媒体流路に熱媒体を循環させる管路を設けるとともに、該フリーピストン型スターリング冷凍機と恒温ブロックとの間に変位吸収部材を設け、前記恒温ブロックの温度を検知して前記フリーピストン型スターリング冷凍機の出力を制御することにより恒温ブロックを恒温化する制御装置を設けた恒温発生装置。
2. 前記変位吸収部材を、前記管路に可撓性を具備させて構成した請求項１記載の恒温発生装置。
3. 前記変位吸収部材を、前記管路に可撓性を有するベローズを設けて構成した請求項１記載の恒温発生装置。
4. 前記恒温ブロックにヒータを設け、前記制御装置に、該恒温ブロックで検出した温度に応じて前記フリーピストン型スターリング冷凍機の出力制御と前記ヒータの温度制御とを行って恒温ブロックを恒温化する機能を具備させた請求項１〜３のいずれか１項に記載の恒温発生装置。
   
   

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