JP2008121917A - 恒温発生装置とその伝熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量、小型で持運びができ、冷却媒体を用いることなく超低温域で設定された任意の低温域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と、前記恒温ブロック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前記恒温ブロック３を恒温状態とする制御装置９とを備え、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とを伝熱材６で接続する。この伝熱材６には、吸熱部４との接続部と前記恒温ブロック３との接続部との間に前記フリーピストン型スターリング冷凍機２の振動を吸収する変位吸収部７を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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校正装置、試験装置、検査装置等に用いる恒温発生装置とその伝熱構造に関する。

従来より、低温域で精密な温度を維持できる恒温装置によって試験や検査（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、低温の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る恒温発生装置がある。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、装置全体で約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℃程度である（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大きな温度分布を生じて、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。

また、この種のスターリング冷凍機に関する出願として、可撓性の壁体で保持した熱伝導流体中に熱伝導部を有する冷却ブロックを設け、この冷却ブロックをスターリング冷凍機の吸熱部で冷却した熱伝導流体を介して冷却するようにしたものや（例えば、特許文献２参照）、スターリング冷凍機の軸方向振動を、この振動方向に設けた板バネとバランスマスとで抑制しようとしたものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００３−２１４７５０号公報（第３，４頁、図３） 特開２００５−２３３４６１号公報（第４，５頁、図１） 特開２００６−４６４１９号公報（第７頁、図１）

ところで、近年、バイオ、医療、食品分野などで、超低温域での精密な温度管理要求が増えており、今後、ますます超低温域での精密な環境での試験や検査を行える装置の必要性が伸びていく中、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、現場や試験室等へ簡単に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。そのため、持運びができる小型で軽量で安定した高精度の温度制御ができる超低温域の恒温発生装置を実現することが望まれている。特に、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。

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、複数の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。このことは、前記特許文献２のように、冷却媒体に熱伝導流体を使用した場合、超低温で熱伝導流体を循環させることができる可撓性の壁体の製作が困難であるとともに、部品交換時等の熱伝導流体の入れ替え時に熱伝導流体が漏れて被試験体や人と接触することもあるため、被試験体や人が熱伝導流体と接触するのを好まない食品関係等の用途での使用が難しい場合がある。

しかも、前記特許文献２では、約−４０℃以下の超低温域で超低温域で安定した恒温状態を維持するためには配管や断熱材等の構成が必要であるためコンパクト化は難しい。また、前記特許文献３でも、スターリング冷凍機の一端に設けた板バネやバランスマス等の構成でコンパクト化が難しいとともに、完全な防振も難しく他の防振方法を併用する必要もあり、この点でもコンパクト化は難しい。

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コンパクトで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。

そこで、本発明は、軽量、小型で持運びができ、冷却媒体を用いることなく超低温域で設定された任意の低温域を維持できる恒温発生装置とその伝熱構造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、本発明における恒温発生装置の伝熱構造は、任意の低温を維持する恒温部と、該恒温部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とを備えた恒温発生装置の伝熱構造であって、前記恒温部と前記フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部とを接続する伝熱材を設け、該伝熱材の吸熱部の接続部と前記恒温部の接続部との間に前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動を吸収する変位吸収部を設けている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「恒温部」は、「恒温ブロック」、「恒温プレート」等のフリーピストン型スターリング冷凍機で「恒温」にする部分をいう。これにより、伝熱材でフリーピストン型スターリング冷凍機から恒温部に冷却媒体を用いないドライタイプで熱搬送を行い、恒温部の全体を低温域の精密な恒温環境とすることができる。しかも、伝熱材によるドライタイプの熱搬送を行うので、熱搬送のための構成を小型化することができる。この明細書及び特許請求の範囲の書類中において「ドライタイプ」とは、「冷却媒体」として「液体」を用いない構成をいう。

また、前記変位吸収部を、前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動方向に変位可能なように伝熱材の板面方向から一部を突出させて形成してもよい。この伝熱材の板面方向から一部を突出させる形態は、凸状、凹状、またはこれらを組合わせたものであってもよい。これにより、伝熱材の一部に形成された変位吸収部がフリーピストン型スターリング冷凍機の振動方向に変位して振動を吸収するので、伝熱材に伝わった振動を伝熱材の一部の変位吸収部が変位して安定した振動吸収を行うことができる。

さらに、前記伝熱材を複数枚の薄板で構成し、該薄板を積層するとともに該積層した薄板間に所定の隙間を形成して前記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部とを接続してもよい。これにより、振動体であるフリーピストン型スターリング冷凍機の振動を、所定の隙間を設けて積層した薄板の各伝熱材が柔軟に変位して安定して吸収することができ、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部へ伝わることを防ぐことができる。

また、前記伝熱材の前記フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部における吸熱区間と、該伝熱材の前記恒温部の接続部における吸熱区間とを、複数枚の薄板の間に熱伝導性材を設けて積層して該吸熱区間を接続する各薄板の間に前記所定の隙間を形成してもよい。これにより、吸熱区間の間の各薄板間に形成する隙間を熱伝導性材の厚みで形成することができ、積層するための材料で熱搬送面積の確保と振動の吸収とを容易に両立させることができる。

一方、本発明の恒温発生装置は、恒温部を任意の低温で維持する恒温発生装置であって、前記恒温部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と、前記恒温部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前記恒温部を恒温状態とする制御装置とを備え、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部とを前記いずれかの伝熱構造で接続している。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伝熱材によって恒温部の全体を効率良く冷却し、精密な低温域での恒温環境を提供することができる。しかも、伝熱材によって冷却媒体を用いないドライタイプの熱搬送を行うので、伝熱材の設定により装置の小型化が容易に可能であり、軽量・コンパクトな恒温発生装置を構成することができる。

また、前記フリーピストン型スターリング冷凍機を、該フリーピストン型スターリング冷凍機の振動方向に変形自在な防振ゲルで装置本体に支持してもよい。これにより、フリーピストン型スターリング冷凍機の振動が装置本体側に伝わるのを防振ゲルで安定して防止することができる。この防振ゲルとしては、例えば、シリコン系、ウレタン系の高減衰材料等が用いられる。

さらに、前記恒温部にヒータを設け、該恒温部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該恒温部を恒温状態とする機能を前記制御装置に具備させてもよい。これにより、恒温部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とを行って、迅速に正確な温度に設定することができる。

本発明は、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、恒温部を高精度で低温域に維持できるように温度制御するドライタイプの恒温発生装置と、そのための伝熱構造とを提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る恒温発生装置を側面から見た縦断面図であり、図２は、図１に示す恒温発生装置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、図３は、図１に示す恒温発生装置に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の支持状態を示す平面図、図４は、図３のフリーピストン型スターリング冷凍機の支持部を示す斜視図である。この実施の形態では、本発明の一実施の形態に係る伝熱構造を備えた恒温発生装置を、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）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、恒温部たる恒温ブロック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とを接続する伝熱材６とを備えている。伝熱材６は、冷凍機２の吸熱部４と恒温ブロック３とに接続されており、この伝熱材６によって吸熱部４から恒温ブロック３に熱搬送される。

図２に示すように、前記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とを有し、また作動ガスとしてヘリウム等のガスが封入されている。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。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１５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。すなわち、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源を制御することで、図１に示す吸熱部４に取付けられたコールドヘッド５の温度を簡単に制御することができる。

さらに、図１に示すように、この恒温発生装置１には、冷凍機２を使用した場合に、排熱部２４で発生する熱の排気、及びリニアモータのコイル１５で発生する熱の排気をするための構成が設けられている。前記排熱部２４の位置には放熱フィン２５が設けられている。この放熱フィン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、軸方向に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の後流側に設けた放熱ファン２８で外部から冷凍機筐体２６の内部に吸込んだ外気２９で冷却するようになっている。すなわち、冷凍機筐体２６の後流側に設けられた放熱ファン２８を動作させることで、装置本体１０の放熱フィン２５近傍に設けられた開口（図示略）から外気２９を冷凍機筐体２６内に取り込み、この外気２９で放熱フィン２５と冷凍機２とを空冷し、放熱ファン２８を通じて排気するように構成されている（図中の一点鎖線）。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（図２）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。

図１，３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、この実施形態では円筒状に形成されており、その反冷凍機側に前記伝熱材６が設けられている。コールドヘッド５の材料としては、銅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の冷却出力を伝熱材６へ高効率で伝えることができる。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。

一方、図１に示すように、この実施の形態の前記恒温ブロック３は、上面が開放した所定深さの矩形箱状に形成されている。この恒温ブロック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、形状も箱状に限らず、円筒状、多角形状の筒やプレート状等であってもよい。

また、前記伝熱材６は、横向きに配置された冷凍機２のコールドヘッド５から上方へ延び、恒温ブロック３の下部付近で冷凍機２の軸方向と直交する方向に突出した変位吸収部７を形成した後に冷凍機２の上方に向けて屈曲し、冷凍機２の上方に設けられた恒温ブロック３の下面に接するように横方向へ延びている。この伝熱材６の屈曲した部分に冷凍機２の軸方向と直交する方向に突出した変位吸収部７を設けることにより、この変位吸収部７で冷凍機２の軸方向振動を吸収するようにしている。

この伝熱材６は、冷凍機２のコールドヘッド５と恒温ブロック３の下面とに後述する熱伝導性材２７によって接続され、この伝熱材６によりコールドヘッド５と恒温ブロック３との間の熱搬送路が形成されている。この熱搬送路は、伝熱材６の断面積によって大きさが決定される。伝熱材６としては、銅、銀、アルミニューム等の熱抵抗が低く熱伝導性が良く、剛性の低い金属が好ましい。これにより、恒温ブロック３の温度分布幅の変化を小さくするとともに、高い温度安定性を実現している。なお、この実施の形態の伝熱材６の詳細は後述する。

また、恒温ブロック３と伝熱材６とは、外気からの侵入熱を防ぐために適宜分割された断熱材３０によって断熱処理が施されている。断熱材３０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抑えて、効率的に恒温状態とされる。

このような構成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を介して伝熱材６を冷却し、その伝熱材６の熱搬送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。

一方、図４に示すように、前記冷凍機２の振動（軸方向に生じる、例えば、変位量が約０．３ミクロン程度以下の低周波振動）が装置本体１０に伝わらないように、この冷凍機２は振動を吸収する支持部３６によって装置本体１０に支持されている。この支持部３６は、冷凍機筐体２６の両側部に設けられ、この支持部３６で冷凍機２の両側部が装置本体１０に支持されている。支持部３６は、冷凍機筐体２６に固定される冷凍機本体側取付板３７と、装置本体１０に固定されるＬ字状の装置本体側取付板３８と、これらの取付板３７，３８に固定される防振ゲル３９とによって構成されている。この防振ゲル３９は、前記冷凍機本体側取付板３７に固定される取付フランジ４０と、前記装置本体側取付板３８に固定される取付フランジ４１と、これらの取付フランジ４０，４１の間に接着されたゲル材４２とが一体形成されたものである。この防振ゲル３９の両取付フランジ４０，４１がボルト４３で取付板３７，３８にそれぞれ固定されている。これにより、冷凍機２の振動方向（軸方向）がゲル材４２の剪断方向となるように支持されている。この防振ゲル３９としては、冷凍機２を支持できる強さとともに、微少な振動も吸収できる柔軟さとを兼ね備えた、例えば、シリコン系、ウレタン系の高減衰材料等が用いられる。

このような支持部３６で冷凍機２を装置本体１０に支持することにより、使用電源の動作周波数によって冷凍機２のピストン１２が軸方向に移動してその周波数の振動を発生させるが、その周波数の振動を防振ゲル３９のゲル材４２が剪断方向に変位して吸収することができる。すなわち、ゲル材４２は剪断方向に柔軟で変形自在となっているため、冷凍機筐体２６側に固定された取付フランジ４０が振動したとしても、ゲル材４２が変形して装置本体１０側に固定された取付フランジ４１に振動を伝搬させることを抑止できる。

図５は、図１に示す恒温発生装置に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部と恒温ブロックとを接続する伝熱材を示す側面図、図６は、図５に示す冷凍機の吸収部と恒温ブロックとを接続する伝熱材の他の状態を示す図面であり、(a) は第２例を示す側面図、(b) は第３例を示す側面図である。これらの図面により前記伝熱材６を詳細に説明する。

図５に示すように、前記伝熱材６は、複数枚の薄板（例えば、５〜２５枚程度の熱搬送に適した面積が確保できる枚数）が積層されて構成されており、例えば、約０．３〜０．５ｍｍ前後の薄板で、銅、銀、アルミニューム等の熱抵抗が低く、剛性の低い金属板が積層される。この薄板が積層された伝熱材６は、コールドヘッド５の吸熱区間ａと恒温ブロック３の吸熱区間ｂとにおいて、各薄板間に熱伝導性シリコングリスまたは熱伝導性シート等の熱伝導性のよい材料を塗布または介在させることで熱抵抗を下げた状態で接続されている。これにより、これらの吸熱区間ａ，ｂにおける熱伝達効率の低下を抑止した熱搬送ができるようにしている。そして、これらの吸熱区間ａ，ｂにおいて、複数枚の伝熱材６がまとめて恒温ブロック３とコールドヘッド５とにそれぞれビス止めされている。これらコールドヘッド５と伝熱材６、及び恒温ブロック３と伝熱材６とは、ビスを使わずに熱伝導性接着剤で止めても良い。

また、前記吸熱区間ａ，ｂにおける伝熱材６は、熱伝導性シリコングリスまたは熱伝導性シート等を各薄板間に挟んで積層されている。このように熱伝導性シリコングリスまたは熱伝導性シート等を薄板の各伝熱材６間に挟んで積層することにより、コールドヘッド５の吸熱区間ａにおける各伝熱材６の間と恒温ブロック３の吸熱区間ｂにおける各伝熱材６の間とが、熱伝導性シリコングリスまたは熱伝導性シート等の厚みの分で離れるようにしている。

そして、この吸熱区間ａ，ｂで各伝熱材６の間を離すことにより、吸熱区間ａ，ｂの間の各伝熱材６間に隙間を空けている。すなわち、吸熱区間ａ，ｂ以外の部分では、薄板の伝熱材６の間が隙間で空いた状態となっている。このように各伝熱材６の間に隙間を空けることにより、コールドヘッド５と恒温ブロック３との間で伝熱材６の剛性を低めるとともに、各伝熱材６が自由に変位できるようにしている。これにより、前記したように冷凍機２のコールドヘッド５から伝熱材６に振動が伝わっても、各薄板の前記変位吸収部７がそれぞれ自由に変位して確実に吸収できるので、冷凍機２の振動が恒温ブロック３へ伝わるのを確実に抑止することができる。

図６(a) に示すように、伝熱材６の形態としては、横向きに配置された冷凍機２のコールドヘッド５から上向きに延び、恒温ブロック３の下部付近で反冷凍機側に向けて屈曲して横方向に延びて恒温ブロック３の下部に接するような形態でも同様である。この場合も、冷凍機２の軸方向変位を吸収するように突出した変位吸収部７が形成されている。また、図６(b) に示すように、縦向きに配置された冷凍機２のコールドヘッド５から横向きに延び、恒温ブロック３の近傍で反冷凍機側に向けて屈曲させた後に横方向に延びて恒温ブロック３の下部に接するような形態でもよい。この場合も冷凍機２の軸方向変位を吸収するように突出した変位吸収部７が形成されている。なお、冷凍機２と恒温ブロック３とを接続する伝熱材６の形態としては、冷凍機２の配置形態や恒温ブロック３の形状等に応じて決定すればよい。また、前記したように伝熱材６の一部を突出させた変位吸収部７は一例であり、この変位吸収部７は冷凍機２の軸方向に生じる振動（前記、変位量が、例えば、０．３ミクロン程度以下の低周波振動）を吸収できる構成であればよい。

一方、図１に示すように、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口のサイズを合わせたインサートブロック３１を用意し、このインサートブロック３１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方法が好ましい。

図１に示すインサートブロック３１には、標準温度センサ挿入口３２と被校正温度センサ挿入口３３の２つの挿入口を備えている。これら２つの挿入口３２，３３は、インサートブロック３１の温度分布を考慮して、インサートブロック３１を上方から見て中心から同一距離に配置されている。このように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３２，３３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３１に設けられる被校正温度センサの揮入口３２，３３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３２，３３は、インサートブロック３１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３１を上方から見て中心部に、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３１を上方から見て中心から同一距離で配置する。このインサートブロック３１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。

さらに、この実施形態では、インサートブロック３１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３１を取り外して恒温ブロック３を単独の小型恒温槽として利用してもよい。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３４が設けられている。このヒータ３４は電気ヒータで構成されており、配線３５によって制御装置９と接続されている。ヒータ３４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。このように補助制御の目的でヒータ３４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の温度制御を行うことができる。なお、このヒータ３４を付加しても、消費電力としては数ワット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ことができる。このヒータ３４は、恒温ブロック３の迅速な温度制御を必要としない場合には無くてもよい。

図７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。前記恒温発生装置１によれば、以下のように動作して恒温ブロック３内を恒温状態とすることができる。すなわち、恒温発生装置１に設けられた温度設定パネル４５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４５（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４６（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。

また、前記したように、補助制御の目的でヒータを設け、このヒータ３４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３４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。

以上のように構成された恒温発生装置１によれば、低温域の温度校正器とした場合、例えば、約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、約８０Ｗ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、その重量を約３．４ｋｇ程度とすることができ、装置全体の重量を大幅に軽量化することができるとともに、０℃から約−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。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、校正温度として約−６０℃〜−８０℃程度の超低温を実現できる。

また、このような伝熱材６を用いたドライタイプの恒温発生装置１とすることにより、フリーピストン型スターリング冷凍機２の吸熱部４を、直接、伝熱性の高い金属の伝熱材６を用いて恒温ブロック３に接続し、この金属の伝熱材６による低い熱抵抗によって高い熱搬送性と均熱性で恒温ブロック３の温度分布を均一にするので、高い熱搬送能力と均熱性能が得られるとともに、非常にメンテナンス性が良い。

したがって、好ましい冷却出力の冷凍機２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、食品分野などで使用する恒温発生装置１として、簡単に持運びができる小型・軽量であり、超低温域で安定した高精度の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。例えば、食品関係等の用途で要望が高まっている、被試験体が冷却媒体と接触しない構成で、約−４０℃以下の超低温域を発生させることが可能な恒温発生装置１として利用できる。

なお、前記実施の形態では、恒温部として恒温ブロック３を例に説明したが、恒温ブロック３を恒温プレートとした場合、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恒温発生装置として利用でき、恒温部は、恒温ブロック３、恒温プレート、恒温容器等とすることは可能であり、恒温部の形態は前記実施形態に限定されるものではない。

また、前記したように恒温発生装置１では冷却媒体等を使用しないので、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を大幅に抑えることができる。

さらに、前述した実施の形態は一例を示しており、本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、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明に係る恒温発生装置は、低温用温度計測機器の校正を行う低温校正器等、超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として持運びができるドライタイプの恒温発生装置に利用できる。

本発明の一実施形態に係る恒温発生装置を側面から見た縦断面図である。 図１に示す恒温発生装置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１に示す恒温発生装置に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の支持状態を示す平面図である。 図３のフリーピストン型スターリング冷凍機における支持部を示す斜視図である。 図１に示す恒温発生装置に設けたフリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部と恒温ブロックとを接続する伝熱材を示す側面図である。 図５に示す冷凍機の吸収部と恒温ブロックとを接続する伝熱材の他の状態を示す図面であり、(a) は第２例を示す側面図、(b) は第３例を示す側面図である。 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。

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…伝熱材
７…変位吸収部
８…温度センサ
９…制御装置
１０…装置本体
２４…排熱部
２５…放熱フィン
２６…冷凍機筐体
２７…熱伝導性材
２８…放熱ファン
２９…外気
３０…断熱材
３１…インサートブロック
３２，３３…挿入口
３４…ヒータ
３６…支持部
３７…冷凍機本体側取付板
３８…装置本体側取付板
３９…防振ゲル
４０…取付フランジ
４１…取付フランジ
４２…ゲル材
４５…温度設定パネル
４６…駆動回路
ａ，ｂ…吸熱区間

Claims (7)

1. 任意の低温を維持する恒温部と、該恒温部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とを備えた恒温発生装置の伝熱構造であって、
   前記恒温部と前記フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部とを接続する伝熱材を設け、該伝熱材の吸熱部の接続部と前記恒温部の接続部との間に前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動を吸収する変位吸収部を設けたことを特徴とする恒温発生装置の伝熱構造。
2. 前記変位吸収部を、前記フリーピストン型スターリング冷凍機の振動方向に変位可能なように伝熱材の板面方向から一部を突出させて形成した請求項１に記載の恒温発生装置の伝熱構造。
3. 前記伝熱材を複数枚の薄板で構成し、該薄板を積層するとともに該積層した薄板間に所定の隙間を形成して前記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部とを接続した請求項１又は請求項２に記載の恒温発生装置の伝熱構造。
4. 前記伝熱材の前記フリーピストン型スターリング冷凍機の吸熱部における吸熱区間と、該伝熱材の前記恒温部の接続部における吸熱区間とを、複数枚の薄板の間に熱伝導性材を設けて積層して該吸熱区間を接続する各薄板の間に前記所定の隙間を形成した請求項３に記載の恒温発生装置の伝熱構造。
5. 恒温部を任意の低温で維持する恒温発生装置であって、
   前記恒温部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と、前記恒温部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前記恒温部を恒温状態とする制御装置とを備え、
   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部とを請求項１〜４のいずれか１項に記載の伝熱構造で接続したことを特徴とする恒温発生装置。
6. 前記フリーピストン型スターリング冷凍機を、該フリーピストン型スターリング冷凍機の振動方向に変形自在な防振ゲルで装置本体に支持した請求項５に記載の恒温発生装置。
7. 前記恒温部にヒータを設け、該恒温部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該恒温部を恒温状態とする機能を前記制御装置に具備させた請求項５または請求項６に記載の恒温発生装置。

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