JP2007010531A - 冷熱衝撃試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
着霜等の無駄な処理時間による試験の中断時間を無くすと共に、試験室の内部温度を所定の低温、高温にすばやくなるようにし、冷熱衝撃試験の精度を向上する。
【解決手段】
試料を収納するため開閉される試験室扉２３を有する試験室１と、低温室９と、高温室１４と、冷凍機が配置された機械室２１とを備え、試験室１に低温室９からの冷風あるいは高温室からの熱風が供給される冷熱衝撃試験装置において、試験室１と試験室扉２３の間に設けられたパッキ２４ンと、試験室１に連通され空気が封入された圧力調整室１９と、を備え、低温試験時に圧力調整室１９から空気が試験室１へ流入可能とされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試験室に各種材料、各種機器の部品等の試料を入れ、試料を低温と高温の雰囲気に交互にさらして熱ストレス特性、耐久性、熱的強度等を試験する冷熱衝撃試験装置に関するものである。

各種材料、各種機器の部品等の熱ストレスに対する耐熱性、物理的・電気的特性等の変化を短時間で評価する冷熱衝撃試験装置において、低温室の冷却器に着霜が多くなった場合、高温室から熱風を低温室へ通して除霜することにより試験の中断時間を短くすることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

特開平０３−９０８３８号公報

上記従来技術においては、試験室がほぼ一定の内容積であり、試験室に冷風と熱風が交互に供給された場合、試験室内の圧力は、低温試験時では空気の体積減少により低下し、高温試験時では空気の体積増加により上昇する。したがって、冷熱衝撃試験の繰り返しによって試験室外部と試験室内部の空気に圧力差が発生し、呼吸作用（外気の出入り）を生じる。つまり、試験室が低温試験中の場合は外部空気が試験室内部に流入し、高温試験中の場合は試験室内の空気が外部に流出するようになる。そして、これにより、低温室の冷却器に霜が付着してその能力が低下し、試験の中断時間が長くなったり、試験室内部の温度を所定の低温、高温にするにあたって無駄な時間が多くなったりして十分なものとはいい難かった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、着霜等の無駄な処理時間による試験の中断時間を無くすと共に、試験室の内部温度を所定の低温、高温にすばやくなるように木目細かい温度制御を可能にし、冷熱衝撃試験の精度を向上することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、試料を収納するため開閉される試験室扉を有する試験室と、低温室と、高温室と、冷凍機が配置された機械室とを備え、前記試験室に前記低温室からの冷風あるいは高温室からの熱風が供給される冷熱衝撃試験装置において、前記試験室と前記試験室扉の間に設けられたパッキンと、前記試験室に連通され空気が封入された圧力調整室と、を備え、低温試験時に前記圧力調整室から前記空気が前記試験室へ流入可能とされているものである。

また、上記のものにおいて、高温試験時に前記試験室から前記空気が前記圧力調整室へ流入可能とされていることが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室はその内容積が可変とされたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室は前記機械室に配置され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室は伸縮可能な材質で袋状に形成され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室はポリエチレンの薄膜で形成され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記パッキンは、内側パッキンと外側パッキンとで２重にされていることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室は蛇腹型に形成され、内容積が可変とされたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室は乾燥空気を供給する供給タンクとされ、その内部圧力は低温試験時における前記試験室の圧力以上に設定されていることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記圧力調整室は、空気を供給する供給タンクとされその内部圧力は低温試験時における前記試験室の圧力以上に設定され、前記試験室との接続口であり前記試験室の内部側に開閉弁が設けられ、前記供給タンクから前記試験室側には開放可能とされ、前記試験室から前記供給タンク側へは開放されないことが望ましい。

本発明によれば、冷熱衝撃試験装置の試験室に圧力調整室を付設して、低温試験時及び高温試験時には圧力調整室によって試験室と外部空気との呼吸作用の発生を無くしたので、低温室に湿度を多量に含んだ外部空気の流入を無くすことができる。したがって、低温室内に配置されている冷却器の着霜を減少し、低温室内の温度を長期間、安定に保持して運転することが可能となり、試験の中断時間を無くしたり、内部温度を所定の低温、高温にすばやくなるような追従性を向上したりして冷熱衝撃試験の精度を向上することができる。

冷熱衝撃試験装置において、試験室内は試験室内部の温度が冷風、熱風の空気によって−６５℃から１５０℃までの温度範囲にさらされるため、試験室内の空気の圧力は、ボイル・シャルルの法則（ＰＶ＝ＲＴ：気体の体積Ｖは圧力Ｐに反比例して小さくなり、絶対温度Ｔに比例して大きくなる）に示されるように、低温試験時では空気の体積減少により低下し、高温試験時では空気の体積増加により上昇する。
したがって、冷熱衝撃試験の繰り返しによって試験室外部と試験室内部の空気に圧力差が発生する。そして、この圧力差によって試験室に呼吸作用（外気の出入り）が発生し、試験室が低温試験中の場合は外部空気が試験室内部に流入し、試験室が高温試験中の場合は試験室内の空気が外部に流出するようになる。さらに、外気が流入することにより低温室の冷却器に霜が付着してその能力が低下し、外気が流出することにより蓄熱量が外部に放出され、試料に対して急激な温度変化（熱ストレス）を精度良く印加することが困難であった。
そこで、冷熱衝撃試験装置の試験室に内容積可変式の圧力調整室を付設して、外部空気との呼吸作用の発生を無くすこととした。

以下、本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図1において、1は試験室で、冷風供給口2、冷風排出口3、熱風供給口4、熱風排出口５が配置され、試料６を収納できるようになっている。また、各々の供給口、排出口には冷風切換ダンパ７、熱風切換ダンパ８が配置されている。
９は低温室で、室内の空気を冷却する冷却器１０と、冷却された空気を所定の温度に調節して保持する加熱器１１とが配置され、調温された冷却空気（以下、冷風という）が送風機１２で試験室１に送られる。

試験室１内の試料６に対して急激な熱ストレスを与える必要があるため、低温室９の熱容量は試料６を含めた試験室１内の熱容量以上を有する必要があり、このため低温室９には蓄熱板１３が設けられ、蓄熱板１３は比熱の大きい、たとえばアルミニウム鋼材（約０．９０Ｊ／kg・Ｋ）が使用され、蓄熱板１３の比熱と質量による熱容量によって、低温室９全体の熱容量は試料６を含めた試験室１内の熱容量以上となっている。
１４は高温室で、室内の空気を加熱する加熱器１５が配置され、調温された加熱空気（以下、熱風という）が送風機１６で試験室１に送られる。高温室１４の熱容量は試料６を含めた試験室１内の熱容量以上とするため、蓄熱板１７が設けられ、蓄熱板１７は低温室９に配置する蓄熱板１３と同等の機能を持つ。
なお、試験室１、低温室９、高温室１４は、断熱材１８により熱的に遮断されており、所定の温度に到達後、その温度に保持できるようになっている。また、試験室１には通気口２０が付設され、図２で説明する圧力調整室１９と連結されている。

図２の右側断面図において、断熱材１８により遮断された試験室１、低温室９、高温室１４の背面側には、機械室２１が配置され、機械室２１には、低温室９内の冷却器１０を所定の温度に冷却するための冷凍機（図示せず）、冷風切換ダンパ７および熱風切換ダンパ８を駆動するためのシリンダ２２、圧力調整室１９が装備されている。

試験室１は通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して圧力調整室１９と連通され、圧力調整室１９は、たとえばポリエチレン、ポリエチレン‐テレフタラート等の伸縮可能で、かつ強度を保持できる材質によって薄膜の袋状に形成されている。したがって、試験室１の内容積は、内外の圧力差で圧力調整室１９が伸縮することで変化する。また試験室１の前面側には、試料６を収納する場合に開閉するための試験室扉２３が装備されている。
試験室１内を所定の低温温度あるいは高温温度に保持するため、試験室１は外部空気が流入、あるいは流出することが極力無い構造にする必要があるため、また試験室１を経由して低温室９内に湿度を多量に含んだ外部空気が流入することを防止して、冷却器１０、蓄熱板１３への着霜を防止し冷凍機の冷凍能力を維持する必要があるため、試験室扉２３には閉止時に密閉するためのパッキン２４が装備されている。さらに、内側のパッキン２４−Ａとあわせ、密閉性を高めるために外側のパッキン２４−Ｂを装備しての２重構造としている。

冷風切換ダンパ７および熱風切換ダンパ８と、これを駆動するためのシリンダ２２は、シャフト２５により連結され、シャフト２５は試験室１と断熱材１８を貫通しているが、貫通孔部にはパッキン２６が装備され、シャフト２５と貫通孔を密閉している。以上、パッキン２４、２６は、ゴム・麻糸屑、石綿、銅板、鉛、プラスチックなどを用いるので、試験室１の密閉性を高め、外部空気が流入、あるいは流出することを防止している。

次に冷熱衝撃試験における試験室内温度と経過時間の関係を図３により説明する。低温室９は、試料６に対して、−６５℃と１５０℃の温度に交互にさらす冷熱衝撃試験を実施する場合には、−６５℃より低い温度、たとえば−８０℃に保持され、高温室１４は、１５０℃より高い温度、たとえば１８０℃に保持されている。
この状態でシリンダ２２−Ａを駆動させて冷風切換ダンパ７を開くと、低温室９内の冷風が試験室１に流入して試料６を含めた試験室１内の温度はＡ（５分）以内の短時間で所定の−６５℃に変化する。さらに、試料６を所定の時間（１５分間）冷風にさらした後、シリンダ２２−Ａを駆動させて冷風切換ダンパ７を閉じ、低温試験を完了する。

次にシリンダ２２−Ｂを駆動させて熱風切換ダンパ８が開くと、高温室１４内の熱風が試験室１内に流入して試料６を含めた試験室１内の温度はＢ（５分）以内の短時間で所定の１５０℃に変化する。さらに、試料６を所定の時間（１５分間）熱風にさらした後、シリンダ２２−Ｂを駆動させて熱風切換ダンパ８を閉じ、高温試験を完了する。この低温試験、高温試験を所定の回数繰り返して行ない、冷熱衝撃試験が完了する。Ａ、Ｂは通常、温度復帰時間と称され、冷熱衝撃試験においては５分以内の短時間で変化させることが必要となる。

試験室１内の空気の体積は、圧力に反比例して小さくなり、絶対温度に比例して大きくなるが、圧力調整室１９を装備しているので、低温試験時には、図４に示すとおり圧力調整室１９の空気は外気圧（大気圧）に押されて通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して試験室１内に流入し、圧力調整室１９の内容積は縮小する。このため試験室１内部の圧力は低温試験−６５℃にさらされる前後でも一定（ほぼ大気圧）に保持される。
高温試験時には、図５に示すとおり試験室１内の空気は通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して圧力調整室１９に流入し、圧力調整室１９の内容積は外気圧と平衡するまで図のように拡大する。このため試験室１内部の圧力は高温試験１５０℃にさらされる前後でも一定（ほぼ大気圧）に保持される。

以上、試験室内部の圧力を低温試験時、また高温試験時いずれの場合でも均等になるようにできるので、試験中に試験室外部と試験室内部の圧力差が無く、試験室に対して外部空気との呼吸作用が発生することが無くなり、冷熱衝撃試験の開始から完了まで、試験室１内には低温室９、および高温室１４以外の空気の流入を無くすことができる。なお、圧力調整室１９に必要な内容積は、ボイル・シャルルの法則（数１）をもとに、試験室１、低温室９、高温室１４の内容積と、低温試験温度、高温試験温度により予め求めれば良い。また、圧力調整室１９は、試験室１そのものに組み込むことでも良く、その場合は試験室１、又はその一部の内容積が可変、膨張収縮するようになっていれば良い。

図６、７は他の実施の形態を示し、１９−Bは圧力調整室であり、耐熱、耐薬品性が高い高分子有機ケイ素化合物である薄膜シリコン等の、伸縮可能でかつ強度を保持できる材質によって蛇腹型の袋状に形成されている。圧力調整室１９−Bは通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して試験室１と連通され、圧力調整室１９−Bの他方端は、ロッド２７を介して空気シリンダ２８に連結されている。空気シリンダ２８は配管２９を経由して圧縮空気源（図示せず）と接続され、圧縮空気源から供給される圧縮空気により空気シリンダ２８のロッド２７が駆動される。

低温試験時には圧縮空気源から圧縮空気が配管２９を経由して図中の矢印に示す方向に空気シリンダ２８に供給され、圧力調整室１９−Bはロッド２７により押しこまれて内容積が縮小する。そして、圧力調整室１９−B中の空気は通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して試験室１内に流入する。このため試験室１内部の圧力は低温試験−６５℃にさらされる前後でも一定（ほぼ大気圧）に保持できる。また、図７に示すように高温試験時には圧縮空気源から圧縮空気が配管２９を経由して図中の矢印に示す方向に空気シリンダ２８に供給され、圧力調整室１９−Bはロッド２７により引かれるため、圧力調整室１９−Bの内容積は拡大する。

通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して試験室１内の空気は圧力調整室１９−Bに流入して外気圧と平衡するまで拡大するので、内部の圧力は高温試験１５０℃にさらされる前後でも一定（ほぼ大気圧）に保持される。したがって、試験室内部の圧力を低温試験時、また高温試験時いずれの場合でも均等になるようにできる。

図８、９はさらに、圧力調整室に対する他の実施の形態を示し、３０は乾燥空気の供給タンクであり、１．０ＭＰａ程度の圧力に耐えられるような容器である。乾燥空気供給タンク３０は通気口２０−Ａ、２０−Ｂを経由して試験室１と連通されている。乾燥空気供給タンク３０には、配管３１を経由して乾燥空気源（図示せず）と接続され、あらかじめ除湿された乾燥空気（あるいは窒素ガス）が供給されている。なお、乾燥空気源からの供給圧力は乾燥空気供給タンク３０の内部圧力（Ｐ２）が、低温試験時における試験室１内の圧力（Ｐ１）以上となるように設定されている。
通気口２０−Ａと試験室１との接続口には、開閉弁３２が装備され、開閉弁３２は乾燥空気の供給タンク３０からの試験室１への乾燥空気の供給量を制御するものであり、たとえばステンレス鋼にシリコン材を貼り付けた板状のものであり、その一端は支点３３により回動可能として支持されている。開閉弁３２は試験室１の内部側に取付けられていて、通気口２０−Ａ側から試験室１への空気流動がある場合は、試験室１の内側に自由開放するようになっている。したがって、試験室１側から通気口２０−Ａへの空気流動がある場合は開放されず、通気口２０−Ａを密閉する。

以上のように、乾燥空気の供給タンク３０を装備すると、低温試験時には、密閉された試験室１内の空気は体積が小さくなり試験室１外部の空気圧力より減少するが、乾燥空気供給タンク３０の中の圧力は低温試験時における試験室１内の圧力以上なっているため、開閉弁３２が試験室１の内側に開放する。よって、乾燥空気供給タンク３０から乾燥空気が試験室１に流入するので、試験室１内部の圧力は変化しない。つまり、試験室内の圧力は、低温試験−６５℃にさらされる前後で一定（ほぼ大気圧）に保持される。したがって、試験室に対して外部空気との呼吸作用が発生することが無く、冷熱衝撃試験の開始から完了まで、試験室１内には低温室９、および高温室１４以外の空気の流入が無くなる。また、試験室１に供給される空気はあらかじめ除湿された乾燥空気であるため、低温室９に流入した場合でも冷却器１０、蓄熱板１３に霜を付着させることが無く、冷却器１０の冷却能力を低下させることが無い。そして、長期間、連続の冷熱衝撃試験装置が可能となり、試験途中での冷却器の除霜処理が不要となり、無駄な時間を廃して試験期間の短縮化を図ることができる。具体的には、従来、連続運転可能な試験サイクルは約３０サイクル限度とされていたが、本例によれば１０００サイクルまでの連続運転が可能となり、試験時間で３０％短縮、消費電力量で２５％低減が可能となった。

以上、低温、あるいは高温試験温度とは異なる外部空気が、試験室に対して流入、あるいは流出することが無いようにしたので、蓄熱量、蓄冷量が外部へ失われることが無くなり、試験室内部の温度を所定の低温温度あるいは高温温度に保持することが容易、必要とされる試験温度、温度変化に対する追従性が向上し、冷熱衝撃試験の試験精度が向上する。

本発明による一実施の形態を示す正面断面図。 図１の右側面断面図。 一実施の形態による冷熱衝撃試験における試験室内温度と経過時間の関係を示すグラフ。 一実施の形態による圧力調整室の内容積が縮小された状態を示す正面図。 一実施の形態による圧力調整室の内容積が拡大された状態を示す正面図。 他の実施の形態による圧力調整室の内容積が縮小された状態を示す正面図。 他の実施の形態による圧力調整室の内容積が拡大された状態を示す正面図。 さらに他の実施の形態による圧力調整機構を示す正面図。 さらに他の実施の形態による圧力調整機構を示す側面図。

符号の説明

１…試験室、２…冷風供給口、３…冷風排出口、４…熱風供給口、５…熱風排出口、６…試料、７…冷風切換ダンパ、８…熱風切換ダンパ、９…低温室、１０…冷却器、１１…加熱器、１２…送風機、１３…蓄熱板、１４…高温室、１５…加熱器、１６…送風機、１７…蓄熱板、１８…断熱材、１９…圧力調整室、２０…通気口、２１…機械室、２２…シリンダ、２３…試験室扉、２４…パッキン、２５…シャフト、２６…パッキン、２７…ロッド、２８…空気シリンダ、２９…配管、３０…供給タンク、３１…配管、３２…開閉弁、３３…支点。

Claims (10)

1. 試料を収納するため開閉される試験室扉を有する試験室と、低温室と、高温室と、冷凍機が配置された機械室とを備え、前記試験室に前記低温室からの冷風あるいは高温室からの熱風が供給される冷熱衝撃試験装置において、
   前記試験室と前記試験室扉の間に設けられたパッキンと、前記試験室に連通され空気が封入された圧力調整室と、を備え、低温試験時に前記圧力調整室から前記空気が前記試験室へ流入可能とされていることを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、高温試験時に前記試験室から前記空気が前記圧力調整室へ流入可能とされていることを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室はその内容積が可変とされたことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室は前記機械室に配置され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
5. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室は伸縮可能な材質で袋状に形成され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
6. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室はポリエチレンの薄膜で形成され、その内外の圧力差で内容積が可変とされたことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
7. 請求項１に記載のものにおいて、前記パッキンは、内側パッキンと外側パッキンとで２重にされていることを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
8. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室は蛇腹型に形成され、内容積が可変とされたことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
9. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室は乾燥空気を供給する供給タンクとされ、その内部圧力は低温試験時における前記試験室の圧力以上に設定されていることを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
10. 請求項１に記載のものにおいて、前記圧力調整室は、空気を供給する供給タンクとされその内部圧力は低温試験時における前記試験室の圧力以上に設定され、前記試験室との接続口であり前記試験室の内部側に開閉弁が設けられ、前記供給タンクから前記試験室側には開放可能とされ、前記試験室から前記供給タンク側へは開放されないことを特徴とする冷熱衝撃試験装置。
    

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