JP2008292411A - 試験装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】試験槽2の内部に載置台6、冷却チューブ(補助冷却装置)7及び加熱板8が設置されている。載置台6は、背面側にシリンダー装入筒部11が設けられている。載置台6が高温状態であって、載置台の温度を低下すべくスターリング冷凍機3の運転を開始する際に、冷却チューブ(補助冷却装置)7を起動し、スターリング冷凍機3の冷却能力を補助する。載置台6の温度が室温に近い状況まで下がったことを条件として補助冷却装置7を停止する。
【選択図】 図1
Description
温度サイクル試験装置は、激しく温度変化する環境を人工的に作り、被試験物をこの環境下において熱ストレスを与え、被試験物の変化を観察するものである。
温度サイクル試験装置は、前記した様に高温の環境と低温の環境を作るものであるから低温を得るための冷凍機を備えている。通常の温度サイクル試験装置が搭載する冷凍機は、例えば特許文献1に開示された様な相変化する冷媒を使用したものである。
すなわち温度サイクル試験装置で採用される冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備え、冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で放熱して液化し、膨張弁から放出した後に蒸発器内で気化させて冷熱を得るものである。
特許文献1に開示された温度サイクル試験装置は、断熱材で覆われた試験槽を有し、この試験槽内の温度を冷凍機やヒータで調整するものである。すなわち特許文献1に開示された温度サイクル試験装置では、冷凍機等で温度調節した空気を試験槽内に通風し、試験槽内の環境温度を変化させる。
特許文献2に開示された温度サイクル試験装置では、クランク−コネクティングロッド方式を採用したスターリング冷凍機が使用されている。
ところが、例えば特許文献1に開示された様な試験槽内の温度を調節する形式の試験装置では、試験槽内に冷風や温風が通風されるため、試験槽内の空気が移動する。そのため被試験物たる電子部品が飛散したり、その衝撃で破損してしまうことがある。
また特許文献1に開示された試験装置は、通常の冷凍サイクルを採用した冷凍機を使用するため、振動が大きく、その振動によって電子部品が動く場合がある。
さらには特許文献1に開示された試験装置は、通常の冷凍サイクルを採用した冷凍機を使用するため、冷凍機の外形形状が大きいという不満がある。すなわち被試験物たる電子機器は、1mm四方以下という様な非常に小さいものである場合も少なくない。これに対して冷凍機は、前記した様に少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備える必要があり、小型化には限界がある。そのため被試験物の大きさに比べて試験装置があまりにも大きく、違和感をおぼえるものであった。
しかしながら、特許文献2に開示された温度サイクル試験装置は、被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際に、異音や振動が生じる場合があり、甚だしい場合には冷凍機が停止してしまって試験の続行が不能となる場合がある。
フリーピストン形のスターリング冷凍機を搭載した温度サイクル試験装置においても、被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際に、異音や振動が生じる場合があり、甚だしい場合には冷凍機が停止してしまって試験の続行が不能となる場合があった。
すなわちスターリング冷凍機は、冷熱発生部と高熱発生部に温度差を設けると、自身がエンジンとして動作する性質を持つ。そのため被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際には、スターリング冷凍機自身がエンジンとして動作し得る状況にあり、ピストンがエンジンとして動作する方向と反対方向に強制的に動作させるために異音や振動が生じるのではないかと予想される。
またフリーピストン形のスターリング冷凍機を採用する場合には、パワーピストンとディスプレーサが適切な位相差を維持することができなくなり、異音や振動が生じるのではないかと予想される。
そこで本発明では、被試験物を昇温する際にはヒータを使用することとした。
図1は、本発明の実施形態の温度サイクル試験装置の概念図である。図2は、図1の温度サイクル試験装置の試験槽の断面図である。図3は、載置台及び補助冷却装置の斜視図である。
試験槽2は、公知の恒温恒湿槽と同様に断熱性を有する壁面で囲まれた空間であり、その内部に載置台6、冷却チューブ(補助冷却装置)7及び加熱板8が設置されている。
載置台6は、熱伝導性に優れた素材によって作られたものであり、図3の様な円板状の載置部10を備え、その背面側にシリンダー装入筒部11が設けられている。
シリンダー装入筒部11には、後記する様にスターリング冷凍機3の膨張シリンダー26が挿入されている。
載置台6には冷却側温度センサー12が設けられている。
そしてポンプ9によって冷却チューブ7に冷却水が循環され、載置台6のシリンダー装入筒部11を冷却することができる。
加熱板8には加熱側温度センサー16が設けられており、加熱板8の温度は温度センサー16によって検知される。
他に被試験物の温度を検知するセンサー(図示せず)が設けられている。
シリンダー18は、熱伝導性に優れた素材によって作られたものであり、密閉状態であって内部にヘリウム等の液化しにくいガスが充填されている。
デイスプレーサ20は、シリンダー18内に摺動可能に挿入されている。デイスプレーサ20は、内部に蓄冷器23が内蔵されており、デイスプレーサ20の前後は内部の蓄冷器23を介して通気可能である。
本実施形態では、シリンダー18の先端側が膨張シリンダー26として機能し、シリンダー18の基端側が放熱部27として機能する。放熱部27には放熱側温度センサー30が設けられている。
また放熱側温度センサー30の温度は信号T4として入力部4に入力される。
制御装置5は、駆動部を有し、駆動部の信号によって電気ヒータ13とポンプ9が制御される。
その結果、膨張シリンダー26に冷熱が発生する。
膨張シリンダー26に冷熱が発生する原理を簡単に説明すると次の通りである。
図4は、スターリング冷凍機3が駆動する際におけるシリンダー18内の様子を示す断面図である。
スターリング冷凍機3を起動すると制御装置5の信号によって電磁石22が駆動され、パワーピストン21が軸方向に往復運動する。またこれに連れてディスプレーサ20もシリンダー18を軸方向に往復運動する。
すなわち図4、aの状態からスターリング冷凍機3を起動すると電磁石の作用によって、同図bの様にパワーピストン21がシリンダー内で容積を縮める方向(図中上方)に移動し内部のガスを圧縮する。このとき発生する圧縮熱は水あるいは空気等の媒体を用いシリンダー18の外部に排出される。したがって、圧縮は等温的に行なわれることになる。
なおこの行程は等容行程である。
このようなサイクルを繰り返すことにより膨張シリンダー26の周囲が温度低下し、この冷熱によって載置台6が冷却される。
本実施形態の温度サイクル試験装置で電子部品等の温度サイクル試験を行う場合は、その準備段階として、被試験物45を載置台6上に乗せ、被試験物45を載置台6と加熱板8の間で挟む。そして図示しないクランプ装置によって加熱板8を載置台6に固定する。なお被試験物45は、載置台6及び加熱板8に直接接触させても良いが、図2の様に熱伝導性に優れたシート44を両者の間に介在させることが推奨される。シート44には、例えばカーボングラファイトシートが利用できる。
試験条件は、例えば図5の「条件設定」の様に、常温状態に一定時間保ち、その後、時刻a〜bの間に温度を所定の低温まで低下させ、この状態をb〜cの間維持する。
続いて時刻cdeの間に、所定の高温となる様に昇温する。
さらにこの高温状態を時刻e〜fの間維持させ、その後、fghの時間を掛けて所定の低温まで温度降下させる。以後、b〜hの温度サイクルを繰り返させる。
実験が開始され、時刻aに至ると、冷凍機が駆動し、被試験物を温度低下させる。具体的にはスターリング冷凍機3を起動してパワーピストン21を軸方向に往復運動させ、図4の工程a〜eを繰り返し、膨張シリンダー26の温度を低下させて載置台6を冷却し、この冷熱によって載置台6上の被試験物45を冷却する。
載置台6の温度は、冷却側温度センサー12によって監視され、スターリング冷凍機3にフィードバックされる。
そして電気ヒータ13によって載置台6の温度が上昇し、載置台6の温度が室温近傍になると共に時刻がdに至ると、スターリング冷凍機3の運転を停止し、電気ヒータ13だけに電力を供給する。
そして載置台6の温度が所定の高温となり、時刻eに至ると、載置台6の温度が所定の高温を維持する様に電気ヒータ13を比例制御する。
本実施形態では、補助冷却装置7によってスターリング冷凍機3の膨張シリンダ26が冷却されるので、スターリング冷凍機3から異音が生じたり振動が発生することはない。
すなわち本実施形態では、スターリング冷凍機3の放熱部27に放熱側温度センサー30が設けられており、放熱側の温度が制御装置5に入力されている。
ここで載置台6側の温度をTcとし、放熱側の温度をThとした時、例えば載置台6側の温度Tcが放熱側の温度Thよりも高くなった場合(Tc>Th)であって、載置台6の温度を低下させる必要がある場合に補助冷却装置7を運転する。あるいは両者の差が一定の範囲内である場合に補助冷却装置7を運転することも推奨される。
逆に補助冷却装置7の運転を停止する場合は、例えば載置台6側の温度Tcが放熱側の温度をThよりも低く(Tc<Th)、両者の差異が一定の温度(例えば30度C以上))になった場合に補助冷却装置7の運転を停止する。
また上記した実施形態では、補助冷却装置7たる冷却チューブを、載置台6に接触させることによって間接的にスターリング冷凍機3の膨張シリンダー26を冷却したが、空冷または水冷によって膨張シリンダー26を直接冷却してもよい。
2 試験槽
3 スターリング冷凍機
6 載置台
7 冷却チューブ(補助冷却装置)
8 加熱板
9 ポンプ
11 シリンダー装入筒部
12 冷却側温度センサー
13 電気ヒータ
16 加熱側温度センサー
26 膨張シリンダー
27 放熱部
30 放熱側温度センサー
Claims (5)
- 被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダーを備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダを冷却することが可能であることを特徴とする試験装置。
- 補助冷却装置は送風機又はポンプを有することを特徴とする請求項1に記載の試験装置。
- 載置台又は膨張シリンダーの温度が一定の条件となっている状況から載置台の温度を低下させる際に補助冷却装置を動作させることを特徴とする請求項1又は2に記載の試験装置。
- 載置台又は膨張シリンダーの温度と、スターリング冷凍機の放熱部の温度を比較し、両者の温度差が所定の条件を満足している状況から載置台の温度を低下させる際に補助冷却装置を動作させることを特徴とする請求項1又は2に記載の試験装置。
- ヒータを備え、ヒータによって被試験物を加熱することができることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の試験装置。
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