JP2857472B2 - 冷熱衝撃試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、冷熱衝撃試験装置にかかわり、とくに、
集積回路に冷却と加熱とをくり返し試験をおこなうのに
好適な冷熱衝撃試験装置に関している。

［従来の技術］ この種の冷熱衝撃試験装置は、たとえば特開昭62−12
5230号公報に開示されているように、二元冷凍サイクル
と、二元冷凍サイクルを構成している蒸発器および再加
熱器が収容された低温室と、加熱器が収容された高温室
と、低温室および高温室につながれた試験室と、低温室
および高温室を択一的に試験室に連通させるために、こ
れらのあいだに配設された手段とを具備している。試験
は、二元冷凍サイクルが低温室の空気温度を試験温度よ
りもひくい温度に予冷するとともに、加熱器が高温室の
空気を試験温度よりもたかい温度に予熱したあと、低温
室の冷風あるいは高温室の熱風を試験室に交互におく
り、これらの冷風および熱風に試験室内の試料をさらす
ことによってなされている。

このような試験装置において、低温試験の最高温度
は、通常、−65℃である。このときの低温室の予冷温度
は−75℃ないし−80℃であり、蒸発器における冷媒温度
は−80℃ないし−85℃である。低温試験の最低温度はほ
ぼ−10℃であり、このときの低温室の予冷温度は−20℃
ないし−30℃、蒸発器をながれる冷媒の温度は−25℃な
いし−30℃である。が、これらの冷媒温度では、冷媒の
循環量が大きくなりすぎ、冷凍能力が過大となるため、
再低温度での低温試験、つまり温度−10℃による低温試
験をおこなうときには、再加熱器を運転するとともに、
圧縮機を定回転数で作動させて、所定の予冷温度を維持
させ、過剰となっている冷凍能力を打ち消すようにさせ
ている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の試験装置は、このように冷凍サイクルの冷凍能
力を低温試験で必要とされる最高温度にあわせ、それよ
りもひくい温度による低温試験温度のときに、冷凍サイ
クルによる冷却と再加熱器による加熱とをいっしょにお
こなって、所定温度を維持しているため、多量のエネル
ギーを無駄にしている。

本発明の目的は、省エネルギー化をはかれ、異なる試
験温度間の移行時間あるいは除霜後の再運転時の立ち上
がり時間の短縮をはかることができ、しかも、冷凍サイ
クルの運転を安定しておこなうことができるようにさせ
ることにある。

［課題を達成するための手段］ 本発明の冷熱衝撃試験装置は、上記目的を達成するた
めに、二元冷凍サイクルにおける圧縮機の各々がインバ
ータを具備するものからなり、低温室の準備運転、低温
試験運転、予冷運転などの運転状態および運転温度状況
におうじて、インバータの制御をおこなうとともに、準
備運転において、高温側冷凍サイクルを起動させ、つぎ
に低温側冷凍サイクルを起動させるときに、高温側冷凍
サイクルの圧縮機の周波数を低下させるようにインバー
タを制御する手段を具備させられている。

［作用］ 高温室の準備運転は、たとえば、試験温度よりも30℃
たかい予熱温度となるように、加熱器を作動させること
によってなされる。

最高温度の低温試験、たとえば温度−65℃での低温試
験は、膨張弁を全開にし、高温側冷凍サイクルを起動さ
せたあと、低温側冷凍サイクルを起動させて、低温室が
試験温度よりもたとえば15℃ひくい予冷温度となるよう
にさせ、低温室の予冷温度がたとえば−80℃に到達した
ときに、冷風を低温室から試験室に所定時間にわったっ
て送り込み、この冷風に試験室内の試料をさらすことに
よってなされる。冷凍サイクルが起動されるときに、制
御手段はインバータを制御して、圧縮機を最大回転数で
作動させる。

また、低温試験が最低温度でなされるとき、たとえば
−10℃の温度で低温試験をおこなうときには、膨張弁の
開度を小さくさせ、高温側冷凍サイクルを起動させたあ
と、低温側冷凍サイクルを起動させ、予冷温度がたとえ
ば−20℃ないし−30℃になったときに、この冷風を試験
室に送り込み、冷風に試験室内の試料をさらすことによ
ってなされる。このときに、制御手段は、インバータを
制御して、最高温度の低温試験よりも低い回転数でもっ
て、圧縮機を作動させる。

これらの低温試験のいずれかが完了すると、高温試験
がひきつずいてなされる。高温室は、低温試験がおわる
ときまで、加熱器が室内空気をたとえば180℃の予熱温
度にさせられる。低温試験がおわると、この熱風が高温
室から試験室に送り込まれ、試験室内の試料が熱風にさ
らされる。高温試験がなされているときに、冷凍サイク
ルは、制御手段がインバータを制御して、圧縮機の回転
数をさげて、予冷運転状態にさせられている。が、膨張
弁が全開され、第二回目の低温試験がはじまる直前にな
ると、制御手段がインバータを制御し、圧縮を最大回転
数で作動させて、冷凍サイクルを最大冷却能力で運転さ
せ、低温室の温度を急速に予冷温度まで低下させる。低
温室の温度が、低温試験温度よりもたとえば15℃ひくい
温度になると、膨張弁の開度が小さくされ、制御手段が
インバータを制御して圧縮機の電動機の回転数を減少さ
せる。

本発明による冷熱衝撃試験装置は、このように、運転
状態におうじて、制御手段およびインバータが二元冷凍
サイクルの冷凍能力を調整し、再加熱器による調温を最
小にさせているので、再加熱器に消費されるエネルギー
が減少し、省エネルギー運転をおこなえる。

圧縮機がこのようにインバータ制御されている試験装
置において、二元冷凍サイクルは、低温試験において、
高温側冷凍サイクルの起動がまずなされ、それから、低
温側冷凍サイクルが起動させる。が、低温側冷凍サイク
ルが起動させられたときに、カスケード熱交換器内の負
荷が急激に上昇するため、高温側冷凍サイクルにおける
圧縮機の吐出ガス温度および吐出圧力が上昇する。この
ときに、低温側冷凍サイクルが高温側冷凍サイクルとお
なじ高周波数で起動させられると、各部の温度圧力がズ
ムーズに立ち上がりらず、運転が不安定になる。が、こ
の試験装置では、制御手段が、低温側冷凍サイクルを起
動させるときに、高温側冷凍サイクルにおける圧縮機の
インバータから電動機に供給される周波数を低下させて
から、低温側冷凍サイクルを起動させているので、低温
側冷凍サイクルにおける圧縮機からの吐出ガス温度およ
び吐出圧力の急上昇がなくなり、低温側冷凍サイクルが
スムーズに立り上がり、しかも、安定した温度降下をな
させることができるので、安定した運転をおこなえる。

［実施例］ 本発明の冷熱衝撃試験装置の実施例は以下に第１図な
いし第４図とともに説明する。

この冷熱衝撃試験装置は、第１図に示すように、試験
室10、高温室11および低温室12、それに機械室13を具備
している。

高温室11は試験室10の下方に、低温室12は試験室の上
方に、そして、機械室13は高温室および低温室の側方に
配置されている。これらの室は、壁によって仕切られ、
たがいに独立させられている。が、試験室と高温室との
仕切壁にはふたつの通路14、15が、試験室と低温室との
あいだの仕切壁にはふたつの通路16、17がそれぞれ設け
られている。これらの通路のうち、通路14、15にはダン
パ18、19が、通路16、17にはダンパ20、21がそれぞれ配
置されている。ダンパは一端が仕切壁にヒンジによって
取り付けらていて、動力源を外部から操作することによ
って回転し、通路14、15のみをあるいは通路13、17のみ
を開閉することができる。

また、高温室11の内部には、案内板22が配設され、こ
の案内板によって、高温室をふたつの小室に区画してい
る。送風機23が小室の端部に位置して高温室と機械室13
とのあいだの仕切壁に配設され、上部小室、送風機およ
び下部小室を経由して上部小室にもどる循環を高温室の
空気になさせることができるようにさせている。が、高
温室には通路14にダンパ18aが配置されている。このダ
ンパも、一端が仕切壁にヒンジによって取り付けらてい
て、動力源を外部から操作することによって回転して、
通路14のみを開閉することができる。が、ダンパ18aの
回転中心軸は、ダンパ18と対象に配置されていて、ダン
パ18、19がひらいたときに一緒にひらいて、下部小室と
送風機23とのあいだを閉塞し、送風機23からの空気を試
験室10にみちびき、通路15および上部小室を経由して、
送風機23にもどる循環を高温室の空気になさせることが
できるようにしている。加熱器24および蓄熱材25は上部
小室に配置され、これらの空気循環路上に位置させられ
ているとともに、案内板や仕切壁などに支持されてい
る。

低温室12の内部にも、案内板26が配置され、低温室12
をふたつの小室に区画している。送風機27がこれらの小
室の端部に配置され、高温室11と同様に、低温室内の空
気に循環をなさせているとともに、ダンパ20aが通路16
に配置され、ダンパ20、21とともにひらいたときに、上
部小室と送風機27とのあいだを閉塞して、送風機27から
の空気を試験室10にみちびき、通路17および上部小室を
経由して送風機27にもどる循環を低温室の空気になさせ
ることができるようにしている。

蒸発器28、蓄熱材29および再加熱器30は下部小室に配
置され、これらの空気循環路上に位置させられていると
ともに、底壁などに支持されている。蒸発器28は、後述
するように、冷凍サイクルの一部を構成している。この
冷凍サイクルを構成する圧縮機、凝縮器、膨張弁などの
機器は、図示されていないが、機械室13に収容されてい
る。

冷凍サイクルは、第２図に示すように、高温側冷凍サ
イクルＡと低温側冷凍サイクルＢとを具備する二元冷凍
サイクルからなっている。

高温側冷凍サイクルＡは、圧縮機31、凝縮器32、電磁
弁33、34、膨張弁35〜37、それに、熱交換器38から構成
されている。低温側冷凍サイクルＢは、圧縮機41、低温
室12に配設された蒸発器28、膨張弁45〜47、電磁弁43、
44、油分離器49、リリーフ弁50、膨張タンク51、キャピ
ラリチューブ52、それに、熱交換器38から構成されてい
る。熱交換器38はカスケードタイプのものからなってい
る。これらのうち、リリーフ弁50、膨張タンク51および
キャピラリチューブ52は、低温側冷凍サイクルＢの圧力
が上昇したときに、この圧力を低圧側に逃すためのもの
である。なお、図示されていないが、高温側冷凍サイク
ルにおける凝縮器32は出入口を分岐管によって低温室12
にある再加熱器30につながれている。

各々の冷凍サイクルにおける圧縮機31、41はスクロー
ルタイプのものからなっているとともに、インバータを
組み込まれている。インバータは、制御手段につながれ
ていて、制御手段からの信号によって、圧縮機の電動機
に供給される周波数を変化させることができる。

この制御手段は、全体が第３図において参照符号50で
示されていて、マイクロプロセッサを含む演算手段51、
試験温度の設定手段52、ダンパ動力源の発動手段53、膨
張弁を選択する電磁弁の開閉手段54、高温室にある加熱
器24の発動手段55などを含むもので、演算手段50が試験
温度設定手段52および高温室と低温室と試験室との各々
に配置された温度センサ60〜62からの信号にもとずいて
インバータ63、64にたいする制御信号、ダンパ動力源発
動手段53、電磁弁開閉手段54および加熱器24の発動手段
55にたいするオンオフ信号を出力するようになってい
る。

冷凍能力の変更は、この試験装置において、インバー
タ63、64が圧縮機31、41の電動機に供給される電力の周
波数をかえるとともに、電磁弁33、34、43、44を開閉す
ることでなされている。電動機の回転数Ｎは、よく知ら
れているように、極数をｐ、周波数をｆとしたときに、
Ｎ＝（120/p）×ｆであり、電動機の回転数は周波数に
比例している。制御手段50は、運転状態におうじて、イ
ンバータ63、64を制御し、圧縮機電動機に供給される電
力の周波数をかえ、回転数を増減させて、圧縮機31、41
の冷媒の吐出量を変化させ、冷媒循環量をかえ、同時
に、電磁弁33、34、43、44を開閉し、膨張弁35〜37、45
〜47を選択して、冷凍能力を変更している。

この冷熱衝撃試験装置の作動を第２図および第３図と
ともに説明する。

試料は試験室10に収容される。試験は、すべてのダン
パ20、21および20aをとじ、二元冷凍サイクルを起動さ
せて、低温室12の空気を予冷するとともに、加熱器24を
作動させて、高温室11の空気を予熱してから、これらの
ダンパをひらいて、冷風を試験室10に送り込み、試料を
冷風にさらし、そのあと、ダンパ20、21および20aをと
じるとともに、ダンパ18、19および18aをひらいて、高
温室11の熱風を試験室10にみちびき、これらをくり返す
ことによってなされる。

冷凍サイクルの起動は、まず、高温側冷凍サイクルＡ
からなされる。高温側冷凍サイクルＡが起動されると、
圧縮機31からの冷媒ガスは凝縮器32にみちびかれ、凝縮
器おいて外気または冷却水に放熱して凝縮させられる。
この凝縮液は膨張弁35〜37において減圧され、カスケー
ド熱交換器38にはいり、ここで蒸発して圧縮機31にもど
る。つぎに低温側冷凍サイクルＢが制御手段50によって
起動される。起動がなされると、圧縮機41から吐出され
た冷媒ガスは、カスケード熱交換器38において高温側冷
凍サイクルＡの冷媒と熱交換して冷却され凝縮させられ
る。凝縮液は、膨張弁45〜47において減圧されたあと、
蒸発器28に流入し、ここで低温室12における循環空気と
熱交換されて蒸発し、圧縮機41にもどる。制御手段50
は、各々の冷凍サイクルごとに、インバータ63、64を制
御して、圧縮機電動機の回転数をかえ、冷凍能力を調整
するとともに、電磁弁33、34、43、44の開閉をおこなっ
て、適当する膨張弁35〜37、45〜47を回路に挿入してい
る。

この試験装置において、低温側冷凍サイクルＢの起動
は、高温側冷凍サイクルＡを起動させ、高温側冷凍サイ
クルの周波数の圧縮機に電動機に供給される電力の周波
数を低下させたあとにおこなっている。

第４図は試験室10、高温室11および低温室12の温度
と、高温側冷凍サイクルＡおよび低温側冷凍サイクルＢ
における圧縮機31、41の電動機に供給される周波数と、
これらの冷凍サイクルにおける膨張弁を選択する電磁弁
33〜35、45〜47の作動との関係を示している。制御手段
50は、高温側冷凍サイクルＡにおける圧縮機31にたいす
るインバータ63を制御して、この圧縮機の電動機の回転
数を周波数75Hzに関連する回転数まで上昇させる。低温
室12の温度が−30℃になると、制御手段50は低温室12に
ある温度センサ61からの信号によって圧縮機31にたいす
るインバータ63を制御して、この圧縮機の電動機に供給
される電力の周波数を30Hzまで低下させる。この周波数
まで低下したら、制御手段50は、低温側冷凍サイクルＢ
の圧縮機41を起動させる。そのあと、制御手段50は、冷
凍サイクルＡ、Ｂの圧縮機31、41の電動機が周波数75Hz
で運転されるように、インバータ63、64を制御する。こ
れと同時に、制御手段50は、高温側冷凍サイクルＡが起
動されたときに、電磁弁33、34をとじ、低温側冷凍サイ
クルＢが起動されたときに、これらの電磁弁をふたたび
ひらくとともに、低温冷凍サイクルＢの電磁弁43、44を
ひらくように、手段54を制御する。この冷熱衝撃試験装
置は、このように、高温側冷凍サイクルＡを起動させ、
つぎに高温側冷凍サイクルの圧縮機31の周波数を低下さ
せたあとに、低温サイクルの起動をおこなっているの
で、高温側冷凍サイクルにおける異常な吐出ガス温度の
上昇および吐出圧力の上昇を防止することができるとと
もに、低温側冷凍サイクルを低い周波数から起動させる
ことになるため、スムーズな運転をおこなうことがで
き、安定した温度降下をなさせることができる。

二元冷凍サイクルが起動されると、低温室12の空気
は、ダンパ20、21および20aがとじているので、送風機2
7によって低温室内を循環させられつつ、蒸発器28によ
って冷却される。制御手段50は、低温室12の温度センサ
61からの信号を参照しつつ、インバータ63、64を制御し
て、冷凍能力を増大させてゆき、温度が試験温度以下、
温度−80℃以下になると、温度センサ61からの信号によ
って、高温サイクルＡにおける圧縮機31からのホットガ
スを再加熱器30にみちびいて、循環冷風を加熱し、冷風
を試験温度に調温する。

冷風が温度−80℃になると、制御手段50が手段53に信
号を出力し、ダンパ20、21およびダンパ20aの動力源を
作動させて、低温室12と試験室10とをつなぐ通路16、17
を開放する。そこで、低温室の冷風は、送風機27によっ
て、通路16をとおって試験室10に送り込まれ、試料を冷
却したあと、通路17をとおって低温室12にもどり、蒸発
器28において熱交換されたあと、ふたたび試験室10に送
り込まれ、試料を冷却する。

試料の低温衝撃試験がこのようにしてなされると、制
御手段50がダンパ20、21およびダンパ20aの動力源を作
動させて、低温室12を試験室10からきり離すとともに、
高温室11のダンパ18、19およびダンパ18aをひらいて、
高温室11と試験室10とを連通させる。このときまでに、
高温室内の空気は予熱温度180℃までに加熱されている
とともに、送風機27によって高温室内を循環させられて
いる。高温室が試験室につながれると、この熱風が送風
機23によって通路14から試験室10に送り込まれ、試料を
加熱したあと、通路15を経由して高温室11にはいり、加
熱器24によって加熱されたあと、ふたたび通路14から試
験室10に送り込まれる。制御手段50は、試験室10の温度
センサ62から信号によって、試験室10が温度150℃に維
持されるように加熱器24を制御する。

低温室12では、このようにして試料にたいする高温試
験がなされているあいだ、予冷運転がおこなわれてい
る。が、低温室の空気は、低温試験の直後に、低温試験
温度−65℃に近い温度まで上昇している。制御手段50
は、低温試験がおわると、ダンパ20、21および20aをひ
らき、電磁弁33、34、43、44をひらき、圧縮機31、41が
周波数75Hzで作動するようにインバータ63、64を制御し
て、低温室12を温度−80℃まで急速に低下させる。この
予冷温度に到達したら、制御手段50は、つぎの低温試験
が開始されるまで、圧縮機31、41の電動機が周波数50Hz
で運転されるようにインバータ63、64を制御するととも
に、電磁弁33あるいは34、電磁弁43あるいは44をひらい
て、省エネルギー運転をおこなわせる。

高温試験がおわると、高温室11のダンパ18、19がとじ
られ、低温室12のダンパ20、21がひらかれ、つぎの低温
試験がおこなわれる。それから、ふたたび高温試験なさ
れ、これらの低温試験と高温試験とが必要とする回数く
り返される。

なお、上記実施例では、運転状態におうじて電磁弁に
よって膨張弁の選択をおこなっているが、膨張弁を外部
から開度を連続的に調整することができる電子弁から構
成し、インバータを制御するときに、この膨張弁の開度
も調整するようにさせせて、操作性を改善するととも
に、運転状態におうじて、膨張弁の設定が精密におこな
わせ、より円滑な運転をおこなえるようにさせるなどす
ることができる。

［発明の効果］ 本発明の冷熱衝撃試験装置は、以上述べたように、二
元冷凍サイクルにおける圧縮機の各々がインバータを具
備させられ、制御手段が準備運転、予冷運転、試験運転
などの運転状態および運転温度におうじてインバータを
制御して、二元冷凍サイクルが運転状態の各々に対応す
る冷凍能力をもつようにさせ、再加熱器の作動を最小に
させているので、エネルギーの消費をすくなくすること
ができ、しかも、より大きな容量の圧縮機を採用して、
準備運転および予冷運転時間を短縮させても、これを動
力費を増大させることなしにおこなうことができる。こ
れらとともに、本発明の冷熱衝撃試験装置では、制御手
段が、準備運転において、高温側冷凍サイクルを起動さ
せ、つぎに低温側冷凍サイクルを起動させるときに、高
温側冷凍サイクルの圧縮機の周波数を低下させてから低
温側冷凍サイクルを起動させているので、準備運転にお
ける冷凍サイクルの乱れがなくなり、スムーズな起動を
おこなわせることができ、そして、起動が安定すること
によって、温度降下時間がはやくなり、試験時間を短縮
させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の冷熱衝撃試験装置の一実施例を示し、第
１図は装置の構成を縦断面にして示す説明図、第２図は
二元冷凍サイクルの構成を示す説明図、第３図はこの装
置に含まれる制御手段の構成を示す説明図、第４図は冷
熱衝撃試験における試験室、高温室および低温室の温度
と、高温側冷凍サイクルおよび低温側冷凍サイクルの電
動機を駆動する周波数と、これらの冷凍サイクルにおけ
る膨張弁を選択する電磁弁の作動との関係を示す説明図
である。 Ａ……高温側冷凍サイクル、Ｂ……低温側冷凍サイク
ル、10……試験室、11……高温室、12……低温室、14、
15、18、19……試験室を高温室に連通させる手段、16、
17、20、21……試験室を低温室に連通させる手段、24…
…加熱器、28……蒸発器、30……再加熱器、33、34、4
3、44……電磁弁、35〜37、45〜47……膨張弁、50……
制御する手段、63、64……インバータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62 G01N 17/00 B01L 11/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二元冷凍サイクルと、この冷凍サイクルに
   おける低温側冷凍サイクルを構成する蒸発器および再加
   熱器が収容された低温室と、加熱器が収容された高温室
   と、低温室および高温室につながれた試験室と、低温室
   および高温室を択一的に試験室に連通させるために、こ
   れらのあいだに配設された手段とを具備し、低温室から
   の冷風あるいは高温室からの熱風を試験室に交互におく
   ることによって、試験室内の試料に冷熱衝撃試験をおこ
   なっている装置において、二元冷凍サイクルにおける圧
   縮機の各々がインバータを具備するものからなり、低温
   室の準備運転、低温試験運転、予冷運転などの運転状態
   および運転温度状況におうじてインバータの制御をおこ
   なうとともに、準備運転において、高温側冷凍サイクル
   を起動させ、つぎに低温側冷凍サイクルを起動させると
   きに、高温側冷凍サイクルの圧縮機の周波数を低下させ
   るようにインバータを制御する手段を具備させられてい
   ること、を特徴とする冷熱衝撃試験装置。