JP4088739B2 - 気槽式熱衝撃試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品などの熱衝撃試験を行うのに好適な気槽式熱衝撃試験装置、およびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置などの電子部品の温度ストレスに対する耐熱性、物理的、電気的特性の変化を短時間で評価するために、気槽式熱衝撃試験装置が用いられている。そして、気槽式熱衝撃試験装置においては、たとえば低温側で０℃から−６５℃と、高温側で６０℃から２００℃とに、交互に繰り返し試験室の温度を急激に変化させることが実施されている。
【０００３】
このような試験を行う気槽式熱衝撃試験装置として、たとえば、特開平５−１８７９８４号公報に開示されたものが知られている。この気槽式熱衝撃試験装置においては、試験室の温度を高温から低温および低温から高温に急激に変化させるために、試験室の他に低温槽と高温槽を設け、各槽に低温熱量および高温熱量を蓄えておき、試験温度切換時に蓄熱した低温熱量および高温熱量を放熱し、急激な温度変化を実現している。なお、低温槽内には、低温熱量を蓄えるための熱容量の大きな蓄冷材が冷却器とは別に設けられており、また、低温熱源となる冷凍装置は、低温槽内の温度をたとえば０℃から−８０℃の温度にて蓄熱するので、最低温度である−８０℃を得るために、二元冷凍方式が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、低温側試験温度範囲がたとえば０℃から−６５℃の場合、急激な温度変化を得るために、予め低温槽内にて低温熱量を蓄熱する温度は０℃から−８０℃となり、この範囲内の任意の設定した温度になるよう冷凍装置および加熱器により制御している。
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、冷凍装置における冷却器が一系統であり、低温槽内に設けられた冷却器が二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクルに接続されているため、すべての温度範囲の運転において二元冷凍サイクルの運転をすることとなる。このため、二元冷凍サイクルの運転を必要としない温度での運転、たとえば低温槽内の温度を−４０℃以上に制御する運転においても、低温側および高温側二系統の圧縮機を運転する必要があり、また必要以上に循環空気を冷却するため低温槽内の温度を設定温度に維持するための加熱器の出力が大きくなり、結果として熱衝撃試験に要する消費電力が多くなるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、熱衝撃試験に要する消費電力を低減することができる気槽式熱衝撃試験装置、およびその気槽式熱衝撃試験装置の運転方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、空気を冷却して低温空気にする低温槽と、空気を加熱して高温空気にする高温槽と、被試験品が収納される試験室とを備え、前記試験室に対して前記低温槽から低温空気および前記高温槽から高温空気を交互に供給して、前記被試験品に熱衝撃を付与する気槽式熱衝撃試験装置において、前記低温槽で空気を冷却する冷却サイクルとして、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルがカスケードコンデンサを介して接続された二元冷凍サイクルを設けるとともに、冷却器を二系統とし、一方の冷却器は前記高温側冷凍サイクルに前記カスケードコンデンサと並列に接続し、他方の冷却器は前記低温側冷凍サイクル内に接続し、かつ前記高温側冷凍サイクルにおける冷媒の流れを、前記一方の冷却器または前記カスケードコンデンサのいずれかに切り換える切換手段を設け、さらに前記一方の冷却器をバイパスするバイパスラインを設置するとともに、該バイパスラインを流れる冷媒を、前記高温側冷凍サイクルの圧縮機からの冷媒で加熱する加熱手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、高温側冷凍サイクルのみによる単段冷凍方式による運転では冷凍能力がまだ過剰で、たとえば、低温槽内の温度を−２０℃以上に制御する場合には、冷媒の一部をバイパスラインへ流すようにして、高温側冷凍サイクルの冷却器（一方の冷却器）へ流れる冷媒の量を抑制する。なお、バイパスラインへ流れた冷媒は圧縮機からの冷媒により加熱されてから、冷却器の下流側で合流する。
【０００９】
なお、前記バイパスラインには流量調整弁を設けることができる。このように流量調整弁を設ければ、バイパスラインに流れる冷媒の流量を調節することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による気槽式熱衝撃試験装置の縦断面図である。図１において、筐体１は周囲が断熱材１ａで形成され、その内部には、試験室２、低温槽３および高温槽４がそれぞれ設けられ、各々の境界は断熱材１ａにより区切られている。試験室２には被試験品５が収納される。低温槽３は低温熱量を蓄熱するためのもので、試験室２の下側に配置されている。また高温槽４は高温熱量を蓄熱するためのもので、試験室３の上側に配置されている。低温槽３と試験室２は低温空気供給路１ｂと低温空気回収路１ｃで連通され、これら低温空気供給路１ｂおよび低温空気回収路１ｃの開口部には、低温・高温試験に対応して開閉する低温ダンパ６が取り付けられている。また、高温槽４と試験室２は高温空気供給路１ｄと高温空気回収路１ｅで連通され、これら高温空気供給路１ｄおよび高温空気回収路１ｅの開口部には、低温・高温試験に対応して開閉する高温ダンパ７が取り付けられている。
【００１５】
低温槽３内には、冷却器８、冷却器９、加熱器１０および送風機１１が設置されている。冷却器８は筐体１の外に設置された二元冷凍装置（図示省略）の高温側冷凍サイクルに接続され、冷却器９は二元冷凍装置の低温側冷凍サイクルに接続されている。加熱器１０は冷却器８，９を通過した低温空気を加熱して、該低温空気の温度調節を行う。送風機１１は低温槽３内の低温空気を低温空気供給路１ｂ介して試験室２へ供給したり、または低温槽３上部に設けられた低温空気循環路３ａを介して低温槽３内で空気を循環させて、低温熱量の蓄熱を行う。
【００１６】
高温槽４内には、蓄熱材１２、加熱器１３および送風機１４が設置されている。蓄熱材１２は高温熱量を蓄熱し、加熱器１３は高温熱源であり、蓄熱材１２で加熱された高温空気を更に加熱する。送風機１４は高温槽４内の高温空気を高温空気供給路１ｄ介して試験室２へ供給したり、または高温槽４下部に設けられた高温空気循環路４ａを介して高温槽４内で空気を循環させて、高温熱量の蓄熱を行う。
【００１７】
上記構成の気槽式熱衝撃試験装置において、低温槽３内の空気の流れは、装置運転開始時における低温槽３内の温度が所定の温度に到達するまでの準備運転、または高温試験中の待機運転時は、低温ダンパ６が閉じた状態で図の実線矢印で示すように低温空気循環路３ａを通り低温槽３内を循環し、低温試験時は、低温ダンパ６が開いた状態で図の破線矢印で示すように、低温空気供給路１ｂを通り試験室２に低温熱量を供給し、低温空気回収路１ｃを通り再び低温槽３内に戻るという循環経路となる。高温槽４内も同様の空気の流れとなり、低温ダンパ６および高温ダンパ７の開閉により試験室２に低温熱量と高温熱量を交互に供給し、被試験品５に対し熱衝撃を付加する熱衝撃試験を実施する。
【００１８】
図２は、冷凍装置の冷凍サイクル系統の概略図である。気槽式熱衝撃試験装置では、低温槽内の温度をたとえば、−８０℃にて蓄熱するため、冷凍装置として二元冷凍サイクルを採用している。この二元冷凍サイクルには、図２に示すように、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルが設けられ、これらの低温側冷凍サイクルおよび高温側冷凍サイクルはカスケードコンデンサ２０で接続されている。
【００１９】
低温側冷凍サイクルの主要部品は、圧縮機２１、膨張弁２２、冷却器９およびカスケードコンデンサ２０で構成されている。高温側冷凍サイクルの主要部品は、圧縮機２３、凝縮器２４、膨張弁２５およびカスケードコンデンサ２０で構成され、本実施の形態では更にカスケードコンデンサ２０に並列に冷却器８が接続されている。また、冷媒に流れに沿ってカスケードコンデンサ２０の上流側には電磁弁２６が、冷却器８の上流側には電磁弁２７がそれぞれ設けられている。
【００２０】
そして、電磁弁２６，２７を開閉することにより、冷媒の流れを冷却器８側またはカスケードコンデンサ２０側に切り替えることができる。すなわち、電磁弁２６を閉に、電磁弁２７を開とすれば冷媒を冷却器８側に、電磁弁２６を開に、電磁弁２７を閉とすれば冷媒をカスケードコンデンサ２０側にそれぞれ流すことができる。なお、本実施の形態では、電磁弁２６，２７は切換手段を構成している。
【００２１】
上記のように、電磁弁２６，２７の開閉により高温側冷凍サイクル内での冷媒流れの切り換えは、低温槽３内の温度により制御する。低温槽３内の温度が低い条件、たとえば、−４０℃未満の場合には、従来方式と同様に二元冷凍方式の運転とするため、電磁弁２７を閉に、電磁弁２６を開として、冷媒をカスケードコンデンサ２０側に流して、低温側冷凍サイクルの冷媒を冷却し液化する。このとき、高温側冷凍サイクルの冷却器８は、低温熱量を蓄えるための蓄冷材として利用することができる。
【００２２】
次に、低温槽３内の温度が高い条件、たとえば−４０℃以上の場合には、高温側冷凍サイクルのみの単段冷凍方式の運転とするため、電磁弁２７を開に、電磁弁２６を閉として、冷媒を冷却器８側に流して、冷媒の蒸発作用により低温熱量の蓄熱および試験室２への低温熱量の供給のための低温熱源となる。このとき、低温側冷凍サイクルの冷却器９は、低温熱量を蓄えるための蓄冷材として利用することができる。
【００２３】
本実施の形態によれば、二元冷凍サイクルの運転を必要としない高温条件での運転の場合には、高温側冷凍サイクルの圧縮機のみを運転すれば良いこととなり、また、循環空気も冷却熱源となる冷媒の蒸発温度が二元冷凍サイクルに比べ高くなることから、過度に冷却されることがないため、設定温度に制御するための加熱器１０の出力が抑制されることとなり、運転に要する消費電力を削減することが可能となる。また、各々の冷却器が、蓄冷材の役目も果たすため、低温熱量を蓄えるための蓄冷材を新たに設ける必要がない。
【００２４】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２を示しており、冷凍サイクル系統の概略図である。図３では高温側冷凍サイクルのみを示しており、低温側冷凍サイクルは図２の場合と同じである。実施の形態１と同様、カスケードコンデンサ２０に並列に冷却器８が設けられている。そして、本実施の形態では、冷却器８をバイパスするバイパスライン３０が設けられ、このバイパスライン３０の途中に熱交換器３１が設置されている。バイパスライン３０の一端は冷却器８と電磁弁２７との間のラインに接続され、他端は冷却器８の下流側のラインに接続されている。バイパスライン３０には熱交換器３１の上流側に電磁弁３２が設けられている。また、熱交換器３１には圧縮機２３からの出口ラインが接続され、圧縮機２３から凝縮器２４間の冷媒との間で熱交換を行うことができる。なお、本実施の形態では、熱交換器３１は加熱手段を構成している。
【００２５】
上記構成において、低温槽３内の温度が低温条件たとえば−４０℃未満の運転の場合には、電磁弁２６を開に、電磁弁２７を閉とし、冷媒をカスケードコンデンサ２０側に流して二元冷凍方式の運転をする。そして、低温槽３内の温度が高温条件、たとえば−４０℃以上の運転の場合には、電磁弁２７を開に、電磁弁２６を閉とし、冷媒を冷却器８側に流し高温側冷凍サイクルのみの単段冷凍方式の運転をする。さらに、本実施の形態では、低温槽３内の温度がたとえば−２０℃以上の運転の場合には、バイパスライン３０の電磁弁３２を開にして、冷却器８に流れる冷媒量を減少させることで冷凍能力を抑制し、温度調整用の加熱器１０の出力をさらに抑制することが可能となる。
【００２６】
なお、バイパスライン３０では、熱交換器３１にて圧縮機２３を出た高温の冷媒と熱交換することにより、バイパスライン３０側の冷媒は、液の状態から過熱蒸気の状態となって冷却器８下流の出口ラインにて合流するため、冷凍サイクルの運転上の問題はない。したがって、上記により高温側冷凍サイクルのみの運転および冷凍能力の抑制による加熱器１０の出力抑制によって消費電力を大幅に削減した運転が可能となる。
【００２７】
また、バイパス回路に設けた電磁弁３２を、冷媒の流量を比例的に調整できる流量調整弁に置き換えることにより、低温槽３内の温度に応じてバイパス流量を調整可能となり、その結果、広範囲にかつ効率的に加熱器１０の出力を抑制することが可能となり、一層の省電力運転が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、運転条件（低温槽内の温度）によって、二元冷凍方式による運転および高温側冷凍サイクルのみの単段冷凍方式による運転とに切り換えることにより、特に低温槽内の温度が高い条件の場合に、高温側冷凍サイクルの圧縮機のみを動かせば良く、また、高温側冷凍サイクルの運転であるため冷媒の蒸発温度が高く、循環空気の温度が必要以上に低下しないため、温度調整用の加熱器の出力を抑制することができる。その結果、熱衝撃試験に要する消費電力を低減することが可能となる。
【００２９】
また、高温側冷凍サイクル用および低温側冷凍サイクル用の各々の冷却器が蓄冷材の役目も果たすため、蓄熱材が不要となり、コスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による気槽式熱衝撃試験装置の縦断面図である。
【図２】図１に示した気槽式熱衝撃試験装置の冷凍サイクル系統の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２による気槽式熱衝撃試験装置の冷凍サイクル系統の概略図である。
【符号の説明】
２ 試験室
３ 低温槽
４ 高温槽
５ 被試験品
６ 低温ダンパ
７ 高温ダンパ
８ 冷却器(二元高温側)
９ 冷却器(二元低温側)
１０，１３ 加熱器
１１，１４ 送風機
１２ 蓄熱材
２０ カスケードコンデンサ
２１，２３ 圧縮機
２２，２５ 膨張弁
２６，２７，３２ 電磁弁
２４ 凝縮器
３０ バイパスライン
３１ 熱交換器

Claims (2)

1. 空気を冷却して低温空気にする低温槽と、空気を加熱して高温空気にする高温槽と、被試験品が収納される試験室とを備え、前記試験室に対して前記低温槽から低温空気および前記高温槽から高温空気を交互に供給して、前記被試験品に熱衝撃を付与する気槽式熱衝撃試験装置において、
   前記低温槽で空気を冷却する冷却サイクルとして、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルがカスケードコンデンサを介して接続された二元冷凍サイクルを設けるとともに、冷却器を二系統とし、一方の冷却器は前記高温側冷凍サイクルに前記カスケードコンデンサと並列に接続し、他方の冷却器は前記低温側冷凍サイクル内に接続し、かつ前記高温側冷凍サイクルにおける冷媒の流れを、前記一方の冷却器または前記カスケードコンデンサのいずれかに切り換える切換手段を設け、さらに前記一方の冷却器をバイパスするバイパスラインを設置するとともに、該バイパスラインを流れる冷媒を、前記高温側冷凍サイクルの圧縮機からの冷媒で加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする気槽式熱衝撃試験装置。
2. 請求項１に記載の気槽式熱衝撃試験装置において、
   前記バイパスラインに流量調整弁を設け、該バイパスラインに流れる冷媒の流量を調節可能としたことを特徴とする気槽式熱衝撃試験装置。

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