JP2023136914A - 温度槽 - Google Patents

Abstract

【課題】供試体全体の温度を均一にすることができる温度槽を提供する【解決手段】底面壁２０と側面壁２１が一体構造の伝熱部材１０と、前記底面壁２０と前記側面壁２１で囲まれて成る凹部５と、前記伝熱部材１０を加熱及び／又は冷却する熱源部材１１を有していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、供試体を所望の温度環境に置くことができる装置に関するものである。

近年、通信技術やコンピュータ制御技術についての研究が盛んであり、例えばIoT（Internet of Things）や自動運転に使用される電子機器が日々開発されている。
これらの電子機器は、多様な温度環境で使用される場合がある。そのため電子機器そのものや、これらの部品たる半導体、電子部品、材料等の温度特性を評価したり、温度環境に対する影響を調査することが必要となる場合がある。
また高温環境や低温環境に晒された際における、基板等の変形や反りなどの物理的変化を知りたい場合もある。

この用途に使用することができる加熱冷却試験装置が特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示された加熱冷却試験装置は、ペルチェモジュールの上面に、供試体を載置するプレートが取り付けられたものである。
特許文献１に開示された加熱冷却試験装置は、供試体を載置するプレートがむき出しの状態であり、当該プレートを覆う部材を持たない。

特開２０１０－２８７７２９号公報

特許文献１に記載の加熱冷却試験装置では、プレートの温度が背面のペルチェモジュールによって制御される。供試体は、プレートの上に載置され、プレートから直接的に熱伝導を受ける。
特許文献１に記載の加熱冷却試験装置では、供試体の下面側はプレートと接触しているので所望の温度に調整されるが、供試体の上面側は、周囲の空気温度の影響を強く受け、下面側の温度とは異なるものとなる場合がある。

本発明は、上記した点に注目し、供試体全体の温度を均一にすることができる温度槽を提供することを課題とするものである。

上記した課題を解決するための態様は、底面壁と側面壁が一体構造の伝熱部材と、前記底面壁と前記側面壁で囲まれて成る凹部と、前記伝熱部材を加熱及び／又は冷却する熱源部材を有していることを特徴とする温度槽である。

本態様の温度槽は、凹部を有し、当該凹部に供試体が配置される。
本態様の温度槽では、凹部は、底面壁と側面壁が一体構造の伝熱部材で構成されている。伝熱部材は、熱源部材から加熱や冷却を受けて表面温度が調整されるが、当該伝熱部材は底面壁と側面壁が一体構造であるから、底面壁と側面壁の相互間の熱の流れが円滑であり、底面壁と側面壁の温度は略等しいものとなる。
供試体は側面壁からの輻射熱によっても温度調整されるが、本態様の温度槽では、底面壁と側面壁の温度は略等しいものとなるから、供試体の上面側の温度についても下面側に近い温度となる。
凹部内の空間は、底面壁と側面壁で囲まれた空間であるから、当該空間の空気温度は、凹部の内壁の温度に近いものとなる。
そのため、凹部内の供試体は、設置面（下面）以外の部位も設置面と略同様の環境に置かれることとなり、供試体全体の温度を均一にすることができる。

上記した態様において、前記側面壁の少なくとも一つは、厚さが不均一であることが望ましい。

上記した各態様において、前記側面壁の少なくとも一つは、底側の領域の厚さが他のいずれかの領域に比べて厚いことが望ましい。

本態様の温度槽は、側面壁の底側の領域の厚さが比較的厚いので、底面壁と側面壁の相互間の熱の流れが円滑であり、底面壁と側面壁の温度が略等しいものとなる。

上記した各態様において、前記側面壁の少なくとも一つの平面断面積は、底側に比べて上部側の方が小さいことが望ましい。

本態様の温度槽は、側面壁の底側の領域の平面断面積が比較的大きいので、底面壁と側面壁の相互間の熱の流れが円滑であり、底面壁と側面壁の温度は略等しいものとなる。

上記した各態様において、前記凹部の内側面に段部があることが望ましい。

本態様によると、段部を利用して供試体を中空に置くことができる。

上記した各態様において、蓋部材を有し、当該蓋部材で前記凹部を封止することが可能であり、前記蓋部材には窓があって前記凹部内を外部から観察することが可能であることが望ましい。

本態様の温度槽は、蓋部材を有し、当該蓋部材で前記凹部を封止することができるので、凹部内が外部から遮断され、外気の影響を小さくすることができる。
また、窓があるため凹部を封止しても、凹部内を外部から観察することが可能となる。

本発明の温度槽を使用すると、供試体全体の温度を比較的均一にすることができる。

本発明の実施形態の温度槽の斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１に示す温度槽の分解斜視図である。 （ａ）は、図３に示す伝熱部材のＢ－Ｂ断面図であり、（ｂ）は、図３に示す伝熱部材のＣ－Ｃ断面図である。 図１に示す温度槽に供試体を設置した状態を示す本体部の断面図であり、（ａ）は、底面壁の上に供試体を置いた状態を示し、（ｂ）は、段部を利用して供試体を中空に支持した状態を示す。 （ａ）乃至（ｃ）は、本体部の変形例を示す本体部の断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、伝熱部材の変形例を示す本体部の平面断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の温度槽１は、図１、図２の様に、本体部２と、蓋部材３によって構成されている。
本体部２は、上面が開口する凹部５を有し、当該凹部５内に供試体１００（図５）が配置される。本体部２は、断熱材で構成された本体箱６に、伝熱部材１０と、熱源部材１１及びヒートシンク１２が挿入されたものである。本実施形態では、伝熱部材１０に前記した凹部５がある。
蓋部材３は、本体部２に取り付けられていて凹部５の上面を開閉するものである。蓋部材３には、窓１５が設けられている。
以下、各部材について説明する。

伝熱部材１０は、図２、図３の様に、外形形状の輪郭が直方体であり、伝熱部材１０に上面が開口する凹部５が形成されている。
伝熱部材１０は、図２、図３の様に、底面壁２０と、当該底面壁２０を囲む４面の側面壁２１を有し、前記凹部５は、底面壁２０と４面の側面壁２１で囲まれている。
本実施形態の伝熱部材１０は、底面壁２０と４面の側面壁２１が一体構造となったものである。

伝熱部材１０の製造方法は限定するものではないが、本実施形態では、アルミニウムや銅合金等の熱伝導性に優れた金属塊を切削して作られている。
即ち金属塊を切削して直方体の外形を成形し、その直方体の部材に凹部５となる直方体状の穴を設けて作られている。そのため伝熱部材１０は、継ぎ目の無い一体構造となっている。
伝熱部材１０の他の製造方法としては、底面壁２０と４面の側面壁２１を個別に成型して溶接等により一体化することが考えられる。
また曲げ加工や鍛造によって、底面壁２０と４面の側面壁２１が一体構造の伝熱部材１０を成形することもできる。

本実施形態で採用する伝熱部材１０は、側面壁２１の厚さが不均一であり、図２の様に、底側となる下部領域２５と開口側となる上部領域２６で厚さが異なっている。具体的には、伝熱部材１０の下部領域２５は、上部領域２６に比べて厚さが厚い。即ち、側面壁２１において、底側の領域の壁の厚さが、側面壁２１の他のいずれの領域よりも厚い。

厚さの比率は限定するものではないが、本実施形態では下部領域２５の厚さは底面壁２０と同等であり、上部領域２６はそれよりも薄い。
図４に示すように、側面壁２１の平面断面積は、底側（図４（ｂ）参照）に比べて上部側（図４（ａ）参照）の方が小さい。
本実施形態では、側面壁２１の下部領域２５の壁の厚さは一様に厚い。また側面壁２１の上部領域２６の壁の厚さは一様に薄い。
そのため、両者の境界部では、内面が段部３０となっている。
本実施形態の伝熱部材１０は、側面壁２１の上部領域２６が下部領域２５に比べてより多く削られていて凹部５の空気と接する内面の面積が大きい。即ち本実施形態の伝熱部材１０は、側面壁の厚さが一様に厚い構造のものに比べて側面壁２１の内面の面積が大きい。

本実施形態では、伝熱部材１０の底面壁２０に温度センサー２２が取り付けられている。温度センサー２２の温度検知部（図示せず）の位置は、底面壁２０の中心近傍である。

熱源部材１１は、ペルチェ素子を内蔵したペルチェ部材である。
ペルチェ部材は、２枚の金属板の間にペルチェ素子を挟んだものであり、ペルチェ素子に通電することによって、一方の金属板が発熱して温度が上昇し、他方の金属板が吸熱して温度が低下する。

ヒートシンク１２は、水等の冷媒を貯めるタンクであり、図３の様に、入水管３２と排水管３３を有している。

本体箱６は、断熱材で構成された箱体であり、本体部２の外郭を構成するものである。 本体箱６は、概形が略直方体であり、中央部に凹部３５が設けられている。また本体箱６の一つの側面には、ヒートシンク１２の入水管３２と排水管３３を挿通する開口３７、３８が設けられている。
本体箱６の上部の一辺側にはヒンジ４０が設けられ、他片側には係合部４１が設けられている。
本体箱６の対向する壁面には取っ手２７が設けられている。

本体部２は、図２、図３の様に、本体箱６の凹部３５に伝熱部材１０が配され、本体箱６の内底４２と、本体部２の底面壁２０との間に、ヒートシンク１２と熱源部材１１が配されたものである。
本実施形態では、伝熱部材１０の底面に、熱源部材１１の一面が直接接しており、熱源部材１１の他面にヒートシンク１２が直接接している。

蓋部材３は、本体部２の上面に合致する下面を有する板状の部材である。
蓋部材３には、窓１５が設けられている。窓１５は、蓋部材３の中央に設けられた内外を貫通する四角形の開口４３に、ガラス板４５、４６がはめ込まれたものである。
ガラス板４５、４６は、いずれも耐熱性を備えた、光透過性が高い石英ガラスである。
ガラス板４５、４６の間には隙間５０があり、図示しない供給口から隙間５０内に乾燥空気が供給される。ガラス板４５、４６の間の隙間５０に乾燥空気が供給されることにより、ガラス板４５、４６の曇りや結露を防止することができる。

蓋部材３の一辺側には取っ手４７が設けられている。また同じ辺側にトグル機構式の閉止器具４８が２組設けられている。
蓋部材３の下面には、図２の様に、パッキン５１が設けられている。

蓋部材３は、ヒンジ４０を介して本体部２に取り付けられており、本体部２の凹部５を開閉することができる。
蓋部材３を開くことによって本体部２の凹部５が開放され、蓋部材３を閉じることによって凹部５を封止することができる。本実施形態では、蓋部材３にパッキン５１が設けられているので、蓋部材３を閉じることによって凹部５内が密閉状態となる。
蓋部材３を閉じる際には閉止器具４８を本体部２の係合部４１に係合し、閉止器具４８を図１の姿勢にする。その結果、トグル機構によって蓋部材３が本体部２に引き寄せられて締め付けられる。

次に、本実施形態の温度槽１の使用方法及び作用について説明する。
本実施形態の温度槽１は、電子部品や基板等の供試体１００に対して環境試験を行うことができるものである。
最初の工程として、凹部５内に供試体１００を入れる。例えば図５（ａ）の様に、凹部５の底面壁２０に供試体１００を置く。図５（ａ）の様に熱伝導に優れるシート１０１やペーストを介して供試体１００を底面壁２０に置いてもよいし、供試体１００を底面壁２０に直接置いてもよい。

そして蓋部材３を閉じて凹部５を封止し、熱源部材１１に通電する。
図示しない制御装置によって、温度センサー２２の検知温度を監視し、温度センサー２２の検知温度が所望の温度となる様に、熱源部材１１の通電量がＰ．Ｉ．Ｄ制御される。
熱源部材１１は、ペルチェ部材であり、伝熱部材１０を加熱することも冷却することもできるが、一例として、熱源部材１１の伝熱部材１０側の面が低温状態となる方向に、通電することとする。この場合は、ヒートシンク１２に冷却水を流す。
熱源部材１１に通電して熱源部材１１の伝熱部材１０側の面を低温状態にすると、反対側の面が昇温するが、この熱はヒートシンク１２に奪われて、外部に排熱される。

熱源部材１１に通電することにより、伝熱部材１０から熱源部材１１に熱が移動する。熱は高温側から低温側に移動するが、説明の便宜上、冷熱が熱源部材１１から伝熱部材１０に移動すると表現することとする。
この表現に従えば、熱源部材１１に通電することにより、熱源部材１１の一面が温度低下し、冷熱が熱源部材１１から伝熱部材１０に移動する。

冷熱は、熱源部材１１が接触する伝熱部材１０の底面壁２０に移動し、底面壁２０から側面壁２１に広がってゆく。
ここで本実施形態が採用する伝熱部材１０は、底面壁２０と４面の側面壁２１が一体構造であって継ぎ目が無い構造であるから、底面壁２０と４面の側面壁２１相互間の熱の流れが円滑である。
加えて本実施形態が採用する伝熱部材１０は、側面壁２１と底面壁２０との接続部分が厚く、冷熱が通過する移動面が大きい。
そのため、底面壁２０と４面の側面壁２１の間の熱抵抗が小さく、底面壁２０と４面の側面壁２１相互間の熱の流れがさらに円滑となり、側面壁２１の温度が、底面壁２０の温度に近似した温度となる。

供試体１００は、伝熱部材１０の底面壁２０と実質的に接しており、供試体１００の下面は、実質的に直接的に底面壁２０から冷熱を受ける。
一方、側面壁２１の温度が底面壁２０の温度に近似した温度となるので、輻射熱によって供試体１００の上面や側面が冷却される。さらに、側面壁２１の温度が底面壁２０の温度に近似した温度となるので、凹部５内の空間温度が底面壁２０の温度に近似した温度となり、供試体１００の上面や側面が冷却される。
その結果、供試体１００の上面と下面の温度が近いものとなる。

以上説明した実施形態では、供試体１００を凹部５の底面壁２０に置いたが、図５（ｂ）の様に、段部３０を利用して供試体１００を中空の位置に置くこともできる。
図５（ｂ）に示した実施形態では、網状の保持板１０２を段部３０に載せて、保持板１０２を底面壁２０から高さ方向に離れた位置に保持し、当該保持板１０２に供試体１００を載せる。その結果、供試体１００が凹部５の中空の位置に保持される。

以上説明した伝熱部材１０は、下部領域２５の壁の厚さと上部領域２６の壁の厚さが段部３０を境に異なる構造であり、下部領域２５と上部領域２６で厚さが異なる二段構造であるが、壁の厚さは３段階以上に異なるものであってもよい。

以上説明した伝熱部材１０は、側面壁２１の下部領域２５の壁の厚さはいずれの位置でも同じであって一様に厚く、側面壁２１の上部領域２６の壁の厚さはいずれの位置でも同じであって一様に薄い。
本発明は、この断面形状に限定されるものではなく、例えば図６（ａ）に示す伝熱部材６０の様に、内壁面の断面形状が傾斜面６５であってもよい
本実施形態の伝熱部材６０も、側面壁２１の厚さが不均一であり、下部領域２５は、上部領域２６に比べて厚さが厚い。即ち、側面壁２１の底側の領域は、壁の厚さが側面壁２１の他のいずれかの領域よりも厚い。側面壁２１の平面断面積は、底側に比べて上部側の方が小さい。

また例えば図６（ｂ）に示す伝熱部材６１の様に、内壁面の断面形状が曲面６６であってもよい。側面壁２１は、上部領域と下部領域の間の中間領域において、最も厚さが薄い。側面壁２１の下部領域は、当該中間領域よりも壁の厚さが厚い。
本実施形態の伝熱部材６１も、側面壁２１の厚さが不均一であり、下部領域は、最も壁の厚さが薄い中間領域に比べて厚さが厚い。即ち側面壁２１の底側の領域は、壁の厚さが他のいずれかの領域よりも厚い。側面壁２１の平面断面積は、底側に比べて中間高さの方が小さい。
さらに図６（ｃ）に示す伝熱部材６２の様に、内壁面に突起５５を設けたものであってもよい。図６（ｃ）に示す伝熱部材６２では、突起５５によって内側面に段部が形成されている。

また図７に示す伝熱部材６３の様に、側面壁２１に縦溝５７を設けてもよい。本実施形態の伝熱部材６３は、側面壁２１がフィン状（ひれ状）であって空気との接触面積が大きく、凹部５内の空間温度を伝熱部材６３の内壁の温度に近づけやすい。

以上説明した実施形態では、４面の側面壁２１の断面形状が同じものであるが、異なるものが混在していてもよい。
例えば、いずれかの側面壁の内面が直線的な垂直面であってもよい。即ちいずれかの側面壁は、厚さが均一であってもよい。また全ての側面壁の厚さが均一であってもよい。

上記した実施形態では、伝熱部材１０の底面壁２０に温度センサー２２を取り付けたが、温度センサー２２の取り付け位置は任意であり、側面壁２１に温度センサー２２を取り付けてもよい。
また、供試体１００に温度センサー２２を取り付けて、供試体１００の温度が所望の温度となる様に制御してもよい。さらに他の例として、凹部５の内部に、温度センサー２２を設置して、内部の空間温度が所望の温度となる様に制御してもよい。

以上説明した実施形態では、蓋部材３に窓１５が設けられていて、温度槽１の内部を目視観察することができるが、窓１５の有無は任意である。
温度槽１の用途は限定されるものではない。
温度槽１を環境試験に利用する場合であっても、試験方法は任意であり、例えば凹部５の温度を一定に保って、供試体１００の変化を調べてもよい。また熱サイクル試験の様に、凹部５の温度を高温環境と低温環境に繰り返し変化させて、供試体１００の変化を調べてもよい。

上記した実施形態では、熱源部材１１としてペルチェ部材を使用しているが、ペルチェ部材に代わって冷凍装置や電気ヒータを使用することもできる。
ただし、冷凍装置は振動を伴うので、振動の無いペルチェ部材を採用することが推奨される。

本実施形態の温度槽１は、伝熱部材１０等の温度変化の速度や、内部空気の温度変化の速度を速めることができる。本実施形態の温度槽１では、伝熱部材１０の表面温度の均一化が促進され、内部の空気の温度も比較的均一なものとなる。
また以上説明した温度槽１は、伝熱部材１０等の側面壁２１の上部側の厚みが薄いため、伝熱部材１０等の熱容量が比較的小さい。そのため伝熱部材１０の温度変化が比較的速い。
また上記した伝熱部材１０等は、凹部５内の空気と接する内面の面積が、底側よりも上部側が大きい。そのため、側面壁２１から凹部５内の空気への熱の移動が促進され、凹部５内の空気の温度変化が比較的速いものとなる。
また上記した温度槽１で採用する伝熱部材１０等は、側面壁２１の下部の厚さを厚くし、底面壁２０と側面壁２１との接続領域の断面積を確保したので、底面壁２０と側面壁２１の間の熱抵抗が小さく、底面壁２０から側面壁２１への熱の移動が妨げられない。そのため、伝熱部材１０等の温度変化及び凹部５内の空気の温度変化が比較的速いものとなる。
また上記した態様によると、伝熱部材１０の温度が均一化するので、部分的に過度の高温となったり、過度の低温となることが防止され、断熱材の厚さを低減することができる。そのため装置全体の外形を小さくすることができる。
段部３０や突起５５を備えた構造によると、当該段部３０等を利用して供試体１００を中空の高さに保持することができる。また段部３０等を利用して供試体１００を設置する棚を設けることもできる。
上記した温度槽１は、開口部が大きいので、より大きな供試体１００を設置することが可能である。

１ 温度槽
２ 本体部
３ 蓋部材
５ 凹部
６ 本体箱
１０、６０、６１、６２、６３ 伝熱部材
１１ 熱源部材
１２ ヒートシンク
１５ 窓
２０ 底面壁
２１ 側面壁
２５ 下部領域
２６ 上部領域
３０ 段部
１００ 供試体

Claims (6)

1. 底面壁と側面壁が一体構造の伝熱部材と、
   前記底面壁と前記側面壁で囲まれて成る凹部と、
   前記伝熱部材を加熱及び／又は冷却する熱源部材を有していることを特徴とする温度槽。
2. 前記側面壁の少なくとも一つは、厚さが不均一であることを特徴とする請求項１に記載の温度槽。
3. 前記側面壁の少なくとも一つは、底側の領域の厚さが他のいずれかの領域に比べて厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度槽。
4. 前記側面壁の少なくとも一つの平面断面積は、底側に比べて上部側の方が小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の温度槽。
5. 前記凹部の内側面に段部があ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温度槽。
6. 蓋部材を有し、当該蓋部材で前記凹部を封止することが可能であり、前記蓋部材には窓があって前記凹部内を外部から観察することが可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の温度槽。

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