JP2011257171A - 恒温装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被試験物W自体の発熱量Aと送風機が試験室内の空気に与える攪拌熱Bの合計は、ダンパを閉め切った状態における断熱壁からの放熱量Cよりも大きい。定常運転時には、ダンパーを一定の開度で固定的に開き、換気によって昇温に見合う量の熱量を排出し(等価換気)、比較的小型の制御ヒータ13を使用して試験室内の温度を比例制御する。
【選択図】図4
Description
バーンイン試験においては、摂氏100度以上、通常は摂氏125度程度の温度に電子機器を晒すことが多い。またバーンイン試験においては、電子機器が晒される温度が一定の範囲でなければならない。
また従来技術の恒温装置100は、前記した大容量の電気ヒータ103(図6)を比例制御するものであった。ここで周知の通り、比例制御は、目標温度と現在温度の偏差に比例して電気ヒータの出力を変化させる制御方法であり、旧来の単なるオンオフ制御に比べて試験室102内の温度の変動が小さい。理想的には図1の様に、時間の経過と共に試験室102内の温度が上昇し、多少のオーバーシュートがあるものの、次第に設定温度に収束する。なお図2は、オンオフ制御を行った場合の温度上昇曲線を表している。理想的な比例制御が実行された場合には、オンオフ制御の場合の様な大きなオーバーシュートやアンダーシュートは起こらないはずである。
その結果、比例制御を行っているとは言え、最低通電時における電気ヒータの発熱量が大きく、試験室102内の温度を一気に上昇させてしまう。そのため、実際には、図3の様に、定常状態となってもオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。そのため従来技術の恒温装置100は、設定温度に対する温度バラツキが大きくなってしまうという不満がある。
また電気ヒータ103の発熱量が大きく、試験室102内の温度を一気に上昇させてしまうので、これを設定温度に戻すために試験室102内を冷却する必要が生じ、さらに電力消費を増大させる要因となっている。
例えば図6に示す恒温装置100の様に、試験室102内に冷却器101を設け、冷却器101で試験室102内の温度を低下させている(放熱E)。また試験室102を換気することによっても放熱を行う(放熱F)。
即ちバーンイン試験の特徴として、被試験物W(電子機器)自体が発熱するという問題がある。即ちバーンイン試験は、電子機器Wに通電して性能を試験するものであるから、図6の様に電子機器W自体が発熱し発熱Aを生じる。そのためバーンイン試験の際には、試験室102の内部に多数の発熱体を内包することとなり、試験室102内の場所による温度のばらつきが大きなものとなってしまう。
そのためバーンイン試験に使用する恒温装置100は、試験室102内の場所による温度のばらつきを解消するため、通常の環境試験装置よりも強力な送風機105を備えている。
即ちバーンイン試験に使用する恒温装置100では、強力な送風機105で試験室102内の空気を強く攪拌し、位置による温度のばらつきを解消している。
例えば出願人らが試作した恒温装置では、9キロワットもの送風機105(4.5キロワットの送風機を2基)を搭載している。
バーンイン試験装置は、摂氏100度以上もの高温で試験されるので、断熱壁106からの熱の逃げ(放熱C)も極めて大きいが、本出願人の計算及び実験によると、被試験物W自体の発熱量Aと送風機が試験室内の空気に与える攪拌熱Bの合計は、断熱壁からの放熱量Cよりも大きい。
また試験室102内の空気を換気することによって試験室102内の温度を低下させることができる。そして換気によって温度を低下させる方策は、冷却器101を使用する場合に比べて電力消費量が極めて少ない。
そこで本発明者らは、定常運転時には、換気によって昇温に見合う量の熱量を排出(等価換気)し、比較的小型の電気ヒータを使用して試験室102内の温度調整を行うこととした。
即ち図4の様にダンパーを一定の開度で固定的に開いて等価換気を行い、電気ヒータを使用して試験室内の温度を微調整する。
式で表現すると、電子機器の発熱Aと、送風機が発生する攪拌熱Bの合計から、断熱壁の放熱Cを引いた熱量Gを定常的に換気によって放出する。即ち、G=(A+B)−Cで示すことができる。
そして容量の小さな電気ヒータを比例制御又はオンオフ制御して試験室内の温度を微調整する。
そして本発明では、定常状態となった際に試験室内の温度が設定温度の近傍となる換気量に前記換気手段の換気量を固定し、その後は制御ヒータの発熱量を制御して試験室内の温度を設定温度に調節する。そのため図6に示すように、従来無駄に発生していた電気ヒータ103の発熱Dや、冷却器101の放熱Eが解消され、省エネルギー運転が可能となる。また試験室内の温度も安定する。
なお、本実施形態の恒温装置1は、バーンイン試験を行うバーンイン試験装置として説明する。ここで、バーンイン試験は、先にも説明したように、通電すると発熱する発熱試料体Wに対して、所定の温度に晒した状態で、通常の使用電圧よりも高い電圧を掛けて、不良品を見分ける検査である。
また、断熱壁2は試験室3を形成している。また試験室3の内部は、被試験物Wを配置する試料配置部5と、空気が流れる通路部6とに分けられている。
そして、試料配置部5を通過する空気は、通電されて発熱した被試験物Wと熱交換する。
ここで上流側通路11は、図4の様に、試料配置部5の空気の流れ方向上流側(右側)と隣接した通路である。また下流側通路12は、試料配置部5の空気の流れ方向下流側(左側)に隣接した通路である。
送風通路10は、試料配置部5の上部側にあり、送風機18と、1基の制御ヒータ13と、5基の臨時ヒータ14(a,b,c,d,e)が設けられている。
なお、送風通路10の一部であって、送風機18及び臨時ヒータ14(a,b,c,d,e)の近辺には、仕切り15が設けられている。他の領域には、仕切りはない。
そして前記した上流側通路11と、下流側通路12は、送風通路10を介して循環流路を形成している。即ち送風通路10の送風は、上流側通路11から試料配置部5に入り、下流側通路12に抜けて送風通路10に戻る。
排気部22は、排気ダクト34と接続されている。
従って、ダンパー21は、排気部22と給気部23との開度を調整することで、恒温装置1内部の加熱された空気を排気しつつ、外部の低温空気を給気できるため、試料配置部5の温度を降下させることができる(換気手段)。即ち、ダンパー21により、恒温装置1内部の空気を外気と置換させることができる。なお、上記開閉板24は、所謂バタフライ式であるが、ゲート式でもよい。
また制御ヒータ13の最大発熱量は、送風機18の発熱量(攪拌に寄与する発熱量又はモータ出力)よりも小さい。
また制御ヒータ13の最大発熱量は、被試験物Wの発熱量よりも小さい。
また制御ヒータ13の最大発熱量は、断熱壁2からの放熱量と固定状態のダンパー21からの換気によって外部に排出される熱量との合計排出熱量と、基礎発熱量(送風機18の発熱量Bと、被試験物Wの発熱量Aの合計)との差の4倍未満であることが望ましい。
なお、送風機18は、恒温装置1が運転されている間は、試料配置部5の温度分布を均一にするために、常時送風動作を行っている。
また定常状態における試験室内の温度は、摂氏100度を超える。通常は、摂氏125度程度で試験が行われる。
そのためダンパー21を閉め切って換気を行わなわずに試験を行った場合には、電気ヒータ13,14がオフの状態であったとしても、試験室3内の温度が設定温度を超える傾向となる。
またこのとき、ダンパー21は、中途の位置で開度を固定し、以後は原則としてダンパー21の開度調整は行わない。
また設定温度の近傍とは、設定温度に対してプラスマイナス摂氏10度程度の温度である。より望ましくは、設定温度に対してやや高い温度であることが望ましい。推奨される温度は、設定温度に対して摂氏8度程度高い温度である。
そして本実施形態では、小型の電気ヒータ(制御ヒータ13)で、この外乱に対応する。そのため本実施形態の恒温装置1は、無駄なヒータの電力消費等が無い。また最小限の電気ヒータを比例制御して試験室内の温度を調整するので、温度のオーバシュートやアンダーシュートが少ない。
例えば、外乱が大きいことが予想される場合には、手動装置によって制御ヒータの数を増やすことができる構成であってもよい。
また外乱その他の影響によって、一つの制御ヒータ13だけでは、設定温度範囲に試験室3の温度を維持できない状況となった場合には、自動的に、制御ヒータ13の数を増加させ、その後に、元の状況に自動復帰させる構成を採用することもできる。
さらに、外乱その他の影響によって、一つの制御ヒータ13だけでは、設定温度範囲に試験室の温度を維持できない状況となった場合に、ダンパー21の開度を僅かに変更する構成を付加してもよい。
本実施形態の恒温装置31では、被試験物Wの発熱と送風機18の発熱と、基礎ヒータ30の発熱量の合計が、断熱壁2からの放熱量を超える。
即ち被試験物Wを試験室3内に配置し、送風機18を起動し、基礎ヒータ30を運転し、ダンパー21による換気を行わずに試験を行った場合に試験室3内の温度が前記設定温度を超える傾向となる。
この場合には、基礎ヒータ30が必須であり、送風機18を起動し、基礎ヒータ30を運転し、ダンパー21による換気を行わなわずに試験を行った場合に試験室3内の温度が前記設定温度を超える傾向となる様な恒温装置となる。
(実施例)
臨時ヒータ:容量15キロワット
制御ヒータ:容量3キロワット
基礎ヒータ:無し
送風機:4.5キロワットの送風機を2基
制御方法:定常状態においてダンパーを一定開度で固定し、制御ヒータを比例制御
(比較例)
臨時ヒータ:無し
制御ヒータ:容量18キロワット
基礎ヒータ:無し
送風機:4.5キロワットの送風機を2基
制御方法:定常常態においてダンパーを全開にして、制御ヒータを比例制御
2 断熱壁
3 試験室
5 試料配置部
13 制御ヒータ
14 臨時ヒータ
18 送風機(送風手段)
21 ダンパー(換気手段)
30 基礎ヒータ
W 被試験物
Claims (9)
- 被試験物を配置する試験室と、試験室内の空気を循環する送風手段と、試験室内の空気を換気する換気手段とを有し、摂氏100度以上の設定温度に内部を維持して試験を行うことを常態とする恒温装置であって、常時一定の発熱量で運転される基礎ヒータを備えるか、或いは試験室内に配置された被試験物が発熱するものであるかいずれかの条件または双方の条件を備え、且つ被試験物を試験室内に配置し、前記送風手段を起動し、前記基礎ヒータを備える場合には当該基礎ヒータを運転し、前記換気手段による換気を行わなわずに試験を行った場合に試験室内の温度が前記設定温度を超える傾向となる恒温装置において、前記送風手段の発熱量と、基礎ヒータの発熱量と、被試験物の発熱量の合計を基礎発熱量としたとき、当該基礎発熱量よりも小さい最大発熱量であって且つ発熱量を制御することができる制御ヒータを備え、前記換気手段は換気量を変更することが可能であり、被試験物を試験室内に配置し、前記送風手段を運転し、前記基礎ヒータを備える場合には当該基礎ヒータを運転している状態であって、これらが定常状態となった際に試験室内の温度が設定温度の近傍となる換気量に前記換気手段の換気量を固定し、その後は制御ヒータの発熱量を制御して試験室内の温度を設定温度に調節することを特徴とする恒温装置。
- 固定される換気量は、定常状態となった際に制御ヒータを停止した場合に試験室内の温度が低下傾向となる換気量であることを特徴とする請求項1に記載の恒温装置。
- 試験室は断熱壁を有し、定常状態となった際には前記基礎発熱量が前記断熱壁からの放熱量を上回るものであり、ほぼ両者の差に相当する熱量を排出する様に前記換気手段の換気量が固定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の恒温装置。
- 制御ヒータの最大発熱量は、断熱壁からの放熱量と前記換気手段の換気によって外部に排出される熱量との合計排出熱量と、前記基礎発熱量との差の4倍未満であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の恒温装置。
- 制御ヒータの最大発熱量は、送風手段の発熱量よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の恒温装置。
- 制御ヒータの最大発熱量は、被試験物の発熱量よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の恒温装置。
- 複数のヒータを備え、これらを選択的に使用して制御ヒータとして機能させることが可能であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の恒温装置。
- 複数のヒータを備え、制御ヒータはこの内の一部であって、制御ヒータの最大発熱量は、全ヒータの総最大発熱量の20パーセント以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の恒温装置。
- 換気手段は、開度を変更可能なダンパーであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の恒温装置。
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