JP4180062B2

JP4180062B2 - 熱真空試験装置

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Publication number: JP4180062B2
Application number: JP2005062580A
Authority: JP
Inventors: 政明村上; 憲彦金塚; 充大久保; 幸治垣田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006240587A

Description

この発明は、例えば宇宙環境と同様な熱真空環境を模擬する人工衛星や宇宙機の熱真空試験において、太陽光エネルギ、地球赤外線などを熱的に模擬する熱真空試験装置に関する。

熱真空試験装置の先行例としては、たとえば特開平０６−１３５４００号公報（特許文献１）に開示されている熱真空試験装置がある。

特開平０６−１３５４００号公報（特許文献１）の図６では、照射量制御ゾーンごとに加熱源となるパネルが分割された、熱真空試験装置の一実施例が開示されている。このように構成された加熱源パネルを有する熱真空試験装置では加熱源となるパネルが照射量制御ゾーンごとに分割されているので、照射量制御ゾーン間の熱伝導が断たれる。よって照射量制御ゾーンごとの照射量制御の独立性が高められるので熱真空試験装置の照射量における制御性及び安定性が向上する。
特開平０６−１３５４００号公報

特開平０６−１３５４００号公報（特許文献１）では熱真空試験装置の供試体パネルとヒータパネルの構成が開示され、供試体パネルを昇温させる際に温度分布を少なくする点について述べられている。しかし、供試体パネルには昇温、高温維持、降温、低温維持といった工程が実現される必要がある。特開平０６−１３５４００号公報（特許文献１）には降温の工程と低温維持の工程とについては述べられていない。

低温維持工程では−１７０℃というスペックがあるため、液体窒素をシュラウドと呼ばれるパネルに設けられる配管に流し、低温となったシュラウドと供試体パネルとを対向するように設置して放射冷却により供試体パネルを低温化する方法が取られる。すなわち実際の熱真空試験装置では供試体パネルをヒータパネルとシュラウドの両方が挟み、温度条件に応じて双方を機能させている。

この構成において、低温維持から昇温の工程に移るときに供試体パネルはヒータパネルから放射加熱されて昇温する。しかし供試体パネルとシュラウドとは対向して設置されているため、シュラウドは供試体パネルから熱を受ける。

昇温開始時にはシュラウドの液体窒素配管中には液体窒素の供給は止まっているものの配管中には液体窒素が充満している。よってシュラウドが熱を受けると液体窒素配管中の液体窒素の一部は沸騰して窒素ガスとなり、窒素ガスは液体窒素配管から装置外に排出される。シュラウド全体が一様な熱を受けた場合、液体窒素配管の各部で液体窒素の沸騰が起こる。沸騰により発生した窒素ガスは配管出口に移動する。よって配管全体でみると配管入口では液体窒素が多く、配管出口では液体窒素が少なくなるという現象が発生する。

シュラウドの液体窒素配管が熱を受ける場合、配管内に液体窒素があると液体窒素が沸騰するので、その潜熱により温度上昇が抑制される。しかし配管内に液体窒素がないと受熱量に相当した温度上昇をするようになる。すなわちシュラウドの液体窒素配管出口は配管入口に比べて温度上昇しやすいことになる。このシュラウドの温度分布が供試体パネルに熱影響を及ぼして供試体パネルの温度分布が大きくなる課題がある。

また、液体窒素配管に上下の関係がある場合には重力の作用により配管の下方に液体窒素が集中する。このことも供試体パネルの温度分布が大きくなることに繋がる。

本発明の第１の目的は、シュラウドの温度分布が大きくなることを防止して供試体パネルに対する悪い温度影響を無くすことができる熱真空試験装置を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、供試体パネル昇温時の温度分布の特徴に合わせ、温度分布を少なくするようなシュラウドの温度分布を強制的に作り、結果的に供試体パネルの温度分布を小さくする熱真空試験装置を提供することである。

本発明は要約すれば、熱真空試験装置であって、供試体パネルを設置することが可能な真空チャンバと、真空チャンバ内に、供試体パネルの第１の主表面と対向するように設けられ、供試体パネルを冷却する冷却パネルと、冷却パネルの端部を加熱する複数のヒータブロックとを備える。

供試体パネルの温度分布を一様にする行為における最大の弱点は、液体窒素の流動性の高さと蒸発潜熱の大きさゆえにシュラウドの温度分布が大きくなることにあった。本発明の熱真空試験装置によれば、従来は大きくなっていたシュラウドの温度を一様にしたり、あるいは供試体パネルの温度分布を減少させるシュラウドの温度分布が実現できるようにしたりすることができるので、熱真空試験の各工程において供試体パネルの温度分布を小さくすることができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の熱真空試験装置を示す図である。図１を参照して、実施の形態１の熱真空試験装置は真空チャンバ１００を備える。真空チャンバ１００内には直方体のフレーム１が組まれている。熱真空試験装置は供試体パネル２、加熱ランプ群３、冷却シュラウド４をさらに備える。フレーム１内では下から順に冷却シュラウド４、加熱ランプ群３、供試体パネル２、冷却シュラウド４、加熱ランプ群３、供試体パネル２と空間を介して数段積み上げられている。冷却シュラウド４は供試体パネル２の第１の主表面に対向するように設けられる冷却パネルである。また、加熱ランプ群３は供試体パネル２において第１の主表面に平行する第２の主表面に対向するように設けられる。

図２は、図１の冷却シュラウド４におけるヒータブロックの設置位置を示す図である。図２を参照して、１枚の冷却シュラウド４は長方形であり、中央部５０および、長方形の４辺のうちの平行な２辺（２つの長辺）をそれぞれ含む端部６０を有する。冷却シュラウドは中央部５０によって、第１の領域４ａと第２の領域４ｂとに分割される。第１の領域４ａおよび第２の領域４ｂはそれぞれ端部６０を有する。

冷却シュラウドには冷媒として液体窒素が内部を流れる液体窒素配管５ａ，５ｂが設けられる。液体窒素配管５ａは第１の領域４ａを覆うように蛇行し、端部６０に配管入口７ａが設けられ、中央部５０に配管出口８ａが設けられる。同様に、液体窒素配管５ｂは第２の領域４ｂを覆うように蛇行し、端部６０に配管入口７ｂが設けられ、中央部５０に配管出口８ｂが設けられる。

端部６０にはヒータブロック６ａ，６ｂがそれぞれ液体窒素配管５ａ，５ｂに沿うように設置されている。ヒータブロック６ａ，６ｂはそれぞれ配管入口７ａ，７ｂを加熱する。冷却シュラウド４の中央部には温度センサＴ１が設けられる。温度センサＴ１はたとえば熱電対である。温度センサＴ１は液体窒素配管５ａ，５ｂに近づけて設置される。

このように実施の形態１では昇温工程の時に、冷却シュラウド４において低温になる部分、つまり冷却シュラウドの端部に温度制御可能なヒータブロック６ａ，６ｂが設置される。ヒータブロック６ａ，６ｂが設置場所を加熱することにより、冷却シュラウド４において中央部と端部との温度差が小さくなるので、冷却シュラウド４の温度分布が大きくなることを防止できる。よって、供試体パネル２に熱影響を及ぼす周囲温度を供試体パネル２の温度分布が一様になるように作用する環境を作ることができる。

図３は、図２の冷却シュラウド４の構成要素を詳細に示す図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ部の断面図である。図３、４を参照して、冷却シュラウド４のうち代表的にヒータブロック６ａを含む部分の構成が示される。冷却シュラウド４は冷却フィンと配管とが一体となるようにアルミニウムの押し出しによって作られたものが複数並べられて構成される。図３に示すように冷却フィン９と液体窒素配管５ａとは一体となるように作られている。

冷却フィン９上にはヒータブロック６ａが設置される。図４に示すように、ヒータブロック６ａは冷却フィン９上に直方体ブロックとして設けられる。ヒータブロック６ａは冷却フィン９上にネジ１２で締結されている。ただしヒータブロック６ａは冷却フィン９上に置いてあるだけでもよい。

ヒータブロック６ａ内にはヒータ１０と温度センサ１１とが挿入される。ヒータ１０は電力が供給されると設置場所を加熱する。温度センサ１１はヒータブロック６ａが設置されている場所の温度を測定する。

冷却シュラウド４においてヒータブロック６ｂを含む部分の構成はヒータブロック６ａに代えてヒータブロック６ｂを含み、液体窒素配管５ａに代えて液体窒素配管５ｂを含む点で図３，図４と異なるが、他の部分の構成は同様である。よってヒータブロック６ｂを含む冷却シュラウド４の部分の構成に関する以後の説明は繰り返さない。

図５は、実施の形態１の熱真空試験装置において温度制御に関する部分の構成を模式的に示すブロック図である。図５を参照して、ヒータブロック６ａ，６ｂおよび温度センサＴ１は制御装置ＣＴＲＬに接続される。ヒータブロック６ａ，６ｂの各々に含まれる温度センサ１１は設置場所の温度の測定結果である第１の測定結果を出力する。信号ＳＮＳ１，ＳＮＳ２はそれぞれヒータブロック６ａ，ヒータブロック６ｂに含まれる温度センサ１１から出力される第１の測定結果である。温度センサＴ１は冷却シュラウド４の中央部の温度の測定結果である第２の測定結果として信号ＳＮＳ０を出力する。

制御装置ＣＴＲＬは信号ＳＮＳ１，ＳＮＳ２，ＳＮＳ０に基づいてヒータブロック６ａ，６ｂの各々に含まれるヒータ１０に電力を供給する。電力Ｐ１はヒータブロック６ａに含まれるヒータ１０に供給される電力であり、電力Ｐ２はヒータブロック６ｂに含まれるヒータ１０に供給される電力である。このようにして制御装置ＣＴＲＬにより冷却シュラウドの端部の温度が所定の温度になるように制御される。

再び図１を参照しながら説明する。冷却シュラウド４は配管入口７ａ，７ｂが最も低くなり、配管出口８ａ，８ｂが最も高くなるように緩い傾斜をつけて設置されている。フレーム１の外周には図示されない断熱材が施されており、真空チャンバ１００の壁面との熱的な接続が絶たれている。

供試体パネル２の熱真空試験では供試体パネル２の温度を８０〜１６０℃に維持する工程や供試体パネル２の温度を−１７０℃に維持する工程、およびこれらの温度間を推移する工程があるが、何れの工程でも供試体パネル２の温度分布が、例えば１５Ｋ以内など所定の温度範囲であることが要求される。昇温時には加熱ランプ群３が赤外線を照射して供試体パネル２の温度を昇温させる。また、降温時には冷却シュラウド４に配設された液体窒素配管５ａ，５ｂに−１８０℃の液体窒素を流すことにより、冷却シュラウド４全体の温度を液体窒素温度のレベルに下げる。

温度を下げる過程で液体窒素配管５ａ，５ｂ内では液体窒素の沸騰が発生する。液体窒素の沸騰により生じた窒素ガスは液体窒素配管５ａ，５ｂ内を配管出口８ａ，８ｂ内に向かって進むので、窒素ガスが液体窒素の一部を巻き込みながら排出されることが起こり得る。しかし冷却シュラウド４に傾斜が有り、液体窒素配管５ａ，５ｂの配管出口８ａ，８ｂが配管入口７ａ，７ｂよりそれぞれ高くなっていることで、窒素ガスに比べて比重の大きな液体窒素が配管出口８ａ，８ｂから排出される際の排出量が少なくなる。つまり、液体窒素の有効利用を行なうことができる。

通常の熱真空試験では供試体パネル２が完全に液体窒素温度になるまで長時間液体窒素を流し続ける。しかし供試体パネル２の温度が液体窒素温度近くになると冷却シュラウド４が奪う熱量が少なくなり、冷却シュラウド４の液体窒素配管５ａ，５ｂ内は液体窒素で満たされる状態になる。

供試体パネル２の温度上昇はこの状態から加熱ランプ群３を点灯することで開始される。昇温過程では液体窒素の供給は止められている。ただし、昇温過程の初期段階では前工程が低温維持工程（供試体パネル２の温度を−１７０℃で維持する工程）であった場合、冷却シュラウド４の液体窒素配管５ａ，５ｂ内に液体窒素が多量に残っている。

加熱ランプ群３が点灯すると供試体パネル２に赤外線が照射される。供試体パネル２の温度は徐々に昇温し、冷却シュラウド４も供試体パネル２からの放射伝熱を受けて供試体パネル２より遅れて昇温しようとする。冷却シュラウド４が供試体パネル２からの放射伝熱を受けると、液体窒素配管５ａ，５ｂ内では液体窒素の沸騰が始まる。冷却シュラウド４への液体窒素の供給が止まっているため冷却シュラウド４内の液体窒素配管５ａ，５ｂ内の液体窒素量は減少していくが、冷却シュラウド４に傾斜が付いているため冷却シュラウド４の中央部にあたる配管出口８ａ，８ｂは早い時点で液体窒素が無くなる。よって配管出口８ａ，８ｂの部分では冷却シュラウド４の温度が上昇し始める。

一方、配管入口７ａ，７ｂでは遅くまで液体窒素が存在しているため冷却シュラウド４の温度上昇を阻害する。すなわち、供試体パネル２の温度が上昇する初期の段階において冷却シュラウド４に温度分布が発生する。よって供試体パネル２と冷却シュラウド４の放射伝熱とがその影響を受けて結果的に供試体パネル２に温度分布が発生することになる。

昇温過程において、冷却シュラウド４の中央部にある配管出口８ａ，８ｂの温度が配管入口７ａ，７ｂの温度より高くなると、図５の制御装置ＣＴＲＬは信号ＳＮＳ０、ＳＮＳ１，ＳＮＳ２に応じ、冷却シュラウド４の中央部の温度が端部よりも高くなったことを検知する。制御装置ＣＴＲＬはヒータブロック６ａ，６ｂの各々のヒータ１０に電力（電力Ｐ１，Ｐ２）を供給する。ヒータブロック６ａ，６ｂの各々のヒータ１０は電力を受けて発熱するので配管入口７ａ，７ｂ付近の液体窒素配管５ａ，５ｂが加熱される。

ヒータブロック６ａ，６ｂの各々のヒータ１０に電力が供給されることにより冷却シュラウド４の液体窒素配管５ａ，５ｂに残された液体窒素は昇温過程の早い時点で無くなる。液体窒素が無くなった後も制御装置ＣＴＲＬは冷却シュラウド４の温度分布を小さくするようにヒータブロック６ａ，６ｂの各々のヒータ１０に供給する電力を制御する。つまり、制御装置ＣＴＲＬはヒータブロック６ａ，６ｂが設置される場所の温度が中央部の温度と等しくなるように、ヒータブロック６ａ，６ｂに供給する電力を制御することで温度制御を行なう。

また、液体窒素の配管入口７ａ，７ｂが加熱されると、そこで液体窒素の沸騰が起こり多量の窒素ガスが配管出口８ａ，８ｂに向かって流れるため、窒素ガスは液体窒素を伴って流れる。すなわち液体窒素が配管入口７ａ，７ｂから配管出口８ａ，８ｂに至るまで配管内面に接触することになる。よって、液体窒素が存在する限り、冷却シュラウド４全体が液体窒素温度ではあるものの一定に保たれるので温度分布が発生しにくいという効果が得られる。

次に、加熱ランプ群３の加熱によって供試体パネル２の温度が一様になるように完全制御(強制温度上昇)したときの冷却シュラウド４の各部の温度変化を示す。なお、以下に示す結果はシミュレーションにより得られたものである。

図６は、冷却シュラウド４において温度変化のシミュレーションが行なわれた場所を示す図である。図６を参照して、温度変化のシミュレーションが行なわれた場所をポイントＡ１〜Ａ６で示す。ポイントＡ１〜Ａ６は供試体パネル２、冷却シュラウド４等を上から見た場合に左下１／４を示す範囲の中から設定されている。ポイントＡ１，Ａ２，Ａ３は供試体パネル２に直接面している冷却シュラウド４の部分である。ポイントＡ４は供試体パネル２の端部と重なる冷却シュラウド４の端部である。ポイントＡ５，Ａ６は冷却シュラウド４の端部であるが供試体パネル２には重ならない場所である。

図７は、図６に示すポイントＡ１〜Ａ６における温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、以下に示す結果はヒータブロックによる冷却シュラウドの加熱が行なわれていない状態でのシミュレーション結果である。

図７を参照してグラフの曲線Ｂ１〜Ｂ６はポイントＡ１〜Ａ６における温度変化のシミュレーション結果をそれぞれ示す。昇温時、加熱ランプ群３により供試体パネル２が加熱され、供試体パネル２からの放射熱により冷却シュラウド４が遅れて昇温する。

ポイントＡ１，Ａ２，Ａ３など供試体パネル２に直接面している冷却シュラウド４の部分は供試体パネル２からの放射熱を受けやすいため、冷却シュラウド４の部分の中では早く温度上昇する。一方、冷却シュラウド４の端部など供試体パネル２に直接面していない部分の温度は供試体パネル２からの放射熱を受けにくいため温度上昇が遅れている。

なお、ポイントＡ４も冷却シュラウド４の端部ではあるが、１つの長方形をした冷却シュラウドと一体であり、また冷却シュラウド４を構成するアルミニウムの熱伝導率が大きいため、冷却シュラウド４自体の中央からの伝熱を受けて比較的温度は上がりやすくなっている。

冷却シュラウド４を構成するアルミニウムから熱伝導がなく、供試体パネル２からも外れているポイントＡ５，Ａ６は他のポイントと比較して非常に温度が上がりにくくなっている。

このように、冷却シュラウドの端部では中央部との間に大きな温度差が生じる。本発明では温度制御可能なヒータブロックが冷却シュラウドに設置されているので、図７のグラフに示されるような冷却シュラウドの中央部と端部との温度差（たとえばポイントＡ１とポイントＡ５との温度差）を解消するように、ヒータブロックに含まれるヒータに電力が供給されることで、実施の形態１では確実にシュラウド中央部と端部との温度差を無くすることができる。

以上のように実施の形態１によれば、冷却シュラウドの温度が低めに推移する端部である液体窒素配管の入口付近にヒータブロックを設置することにより、冷却シュラウドの端部の温度を中央部の同一になるように調整することができるので、供試体パネルの面内における温度分布を少なくすることができる。

［実施の形態２］
図８は、実施の形態２の熱真空試験装置において冷却シュラウド４上に設置されるヒータブロックの位置を示す図である。図８を参照して、実施の形態２では供試体パネル２の第１の主表面に垂直な方向から見た場合に供試体パネル２を囲むようにヒータブロックが設置される。

図２と比較しながら説明すると、図２ではヒータブロック６ａ，６ｂが液体窒素配管５ａ，５ｂのそれぞれの配管入口７ａ，７ｂの付近に設置されていた。すなわち図２では長方形からなる冷却シュラウド４の両長辺端にそれぞれヒータブロック６ａ，６ｂが設置されていた。これに対し、図８に示す冷却シュラウド４では冷却シュラウド４の両長辺端および両短辺端にヒータブロックが設置される。冷却シュラウド４の両短辺端に設置されるヒータブロックを、図８ではヒータブロック６ｃ，６ｄと示す。このようにヒータブロック６ａ〜６ｄは供試体パネル２を囲むように冷却シュラウド４に設置される。

なお、図８の冷却シュラウド４の他の部分の構成は図２の冷却シュラウド４の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。また、図８のヒータブロック６ｃ，６ｄの各々の構成は図４に示されるヒータブロック６ａの構成と同様であるのでヒータブロック６ｃ，６ｄの各々の構成に関する説明は以後繰り返さない。

実施の形態１と同様に、実施の形態２では昇温工程の時に、冷却シュラウド４において低温になる部分、つまり冷却シュラウドの端部に温度制御可能なヒータブロック６ａ〜６ｄが設置される。ヒータブロック６ａ〜６ｄが設置場所を加熱することにより、冷却シュラウド４において中央部と端部との温度差が小さくなるので、冷却シュラウド４の温度分布が大きくなることを防止できる。よって、供試体パネル２に熱影響を及ぼす周囲温度を供試体パネル２の温度分布が一様になるように作用する環境を作ることができる。

図９は、実施の形態２の熱真空試験装置において、温度制御に関する部分の構成を模式的に示すブロック図である。図９を参照して、制御装置ＣＴＲＬは、信号ＳＮＳ０〜ＳＮＳ２を受けて電力Ｐ１，Ｐ２をヒータブロック６ａに含まれるヒータ１０およびヒータブロック６ｂに含まれるヒータ１０にそれぞれ供給する点では図５の制御装置ＣＴＲＬと同様である。ただし図９の制御装置ＣＴＲＬはヒータブロック６ｃ，６ｄの各々に含まれる温度センサから送られる測定結果を受け、ヒータブロック６ｃ，６ｄの各々に含まれるヒータに対して電力を供給する点において図５の制御装置ＣＴＲＬと異なる。

ヒータブロック６ｃの温度センサ１１からは第１の測定結果として信号ＳＮＳ３が出力され、ヒータブロック６ｂの温度センサ１１からは第１の測定結果として信号ＳＮＳ４が出力される。制御装置ＣＴＲＬはヒータブロック６ｃに含まれるヒータに電力Ｐ３を供給し、ヒータブロック６ｄに含まれるヒータに電力Ｐ４を供給する。

もともと加熱ランプ群３は加熱ランプ群３に対して垂直方向に赤外線を照射する。換言すると加熱ランプ群３の加熱方向には指向性がある。加熱ランプ群３は供試体パネル２の最大のサイズよりも大きく構成する必要がないので、加熱ランプ群３は供試体パネル２よりも若干小さな領域として構成されている場合が多い。

一方、冷却シュラウド４は放射伝熱により供試体パネル２を冷却するが、伝熱の方向には指向性がない。冷却シュラウド４は供試体パネル２よりも大きめに作られることで一様な冷却を行なうことができる。すなわち、冷却シュラウド４の端部は加熱が不十分になり、昇温過程では常に中央部よりも遅れて温度が上昇する。この冷却シュラウド４の温度分布が供試体パネル２に温度分布を与える原因になっている。

実施の形態２では冷却シュラウド４に温度制御可能なヒータブロック６ａ〜６ｄが設置されている。これらのヒータブロック６ａ〜６ｄによって冷却シュラウド４の端部を中央部の温度と同一になるように調整することができる。さらに実施の形態２では供試体パネル２を囲むようにヒータブロックが冷却シュラウド上に設けられているので実施の形態１よりも冷却シュラウドの面内における温度分布をより小さくできる効果が得られる。

以上のように、実施の形態２によれば供試体パネル２を囲むようにヒータブロックを冷却シュラウド上に設けることにより、冷却シュラウドの面内における温度分布を小さくすることができるので供試体パネル２の温度分布を小さくすることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の熱真空試験装置の構成は実施の形態２と同様であるので実施の形態３の熱真空試験装置の構成に関する説明は以後繰り返さない。実施の形態３の熱真空試験装置では供試体パネル２の昇温過程において、冷却シュラウド４の端部の温度が中央部の温度と等しいか、または中央部の温度よりも高くなるように制御装置ＣＴＲＬがヒータブロック６ａ〜６ｄの各々のヒータブロックに含まれるヒータ１０に供給する電力を制御する点において実施の形態２と異なる。

冷却シュラウド４の面積は供試体パネル２より大きい。冷却シュラウド４の温度は供試体パネル２の温度よりも低いので、昇温過程において供試体パネル２の端部（図１における端部４０）は中央部よりも冷却シュラウド４の影響を強く受ける。よって昇温過程において供試体パネル２の端部は供試体パネル２の中央部の温度よりも低めに推移する。

実施の形態３ではヒータブロック６ａ〜６ｄにより冷却シュラウド４の端部の温度を冷却シュラウド４の中央部よりも高くする。これにより昇温過程において、供試体パネル２の端部の温度を従来よりも高く推移させることができる。

図１０は、実施の形態３の熱真空試験装置における制御装置ＣＴＲＬの温度制御を説明するフローチャートである。図１０を参照して、処理が開始されるとステップＳ１では制御装置は適切な方法によって加熱工程であることを確認する。たとえば制御装置ＣＴＲＬは信号ＳＮＳ０〜ＳＮＳ４を受け、冷却シュラウド４の中央部の温度が冷却シュラウド４の端部の温度よりも高くなったことを検知して加熱工程であることを確認する。

ステップＳ２において、制御装置ＣＴＲＬは図９の温度センサＴ１から第２の測定結果（信号ＳＮＳ０）を受け、冷却シュラウドの中央部の温度（温度Ｔｃ）の情報を取得する。次にステップＳ３において制御装置ＣＴＲＬは図９のヒータブロック６ａ〜６ｄの各々に含まれる温度センサ１１から第１の測定結果（信号ＳＮＳ１〜ＳＮＳ４のいずれかの信号）を受けて冷却シュラウドの端部の温度（温度Ｔｅ）の情報を取得する。なお、ステップＳ３では４箇所の端部の温度に関する情報が得られるが、説明の便宜上、これら４箇所の端部における各々の温度を区別せずに温度Ｔｅと示す。

ステップＳ４では、冷却シュラウドの中央部の温度Ｔｃに対する所定の温度差である制御補正値Ｔｐの値が設定される。

ステップＳ５では、制御装置ＣＴＲＬは温度Ｔｃと温度Ｔｅとの差である差（Ｔｃ−Ｔｅ）が制御補正値Ｔｐよりも大きいか否かを判定する。差（Ｔｃ−Ｔｅ）が制御補正値Ｔｐよりも大きい場合、処理はステップＳ６に進み、制御装置ＣＴＲＬは冷却シュラウド４端部のヒータブロックに含まれるヒータに電力を供給する（ヒータをオンにする）。一方、差（Ｔｃ−Ｔｅ）が制御補正値Ｔｐ以下の場合、処理はステップＳ７に進み、制御装置ＣＴＲＬは冷却シュラウド４端部のヒータブロックに含まれるヒータへの電力の供給を停止する（ヒータをオフにする）。

なお、差（Ｔｃ−Ｔｅ）と制御補正値Ｔｐとの比較処理およびヒータをオンまたはオフにする処理は冷却シュラウド４に設置された複数のヒータブロックの各々に対して順次行なわれる。ただし、図１０では説明の便宜上、ステップＳ５，ステップＳ６（またはステップＳ７）の各処理は１回だけ行なわれるように示される。ステップＳ６の処理またはステップＳ７の処理が終了すると、処理は再びステップＳ１に戻る。

なお、制御補正値Ｔｐの具体的な値はたとえば図７に示される温度変化のシミュレーション結果等に基づいて適切に定められる。

以上のように実施の形態３によれば、冷却シュラウドの端部の温度を冷却シュラウドの中央部の温度と等しいか、または中央部の温度よりも高くなるようにヒータブロックの温度を制御することによって供試体パネル２の温度を全体的に均一にすることができる効果が得られる。

［実施の形態４］
図１１は、実施の形態４の熱真空試験装置における冷却シュラウドの設置構成を示す図である。図１１を参照して、実施の形態４の熱真空試験装置では冷却シュラウド４に傾斜を持たせずに供試体パネル２と平行に設置し、かつ、冷却シュラウド４と供試体パネル２とを水平に設置する。このように冷却シュラウド４が設置されることにより、昇温過程において冷却シュラウド４の配管入口７ａ，７ｂに最後まで液体窒素が残ってしまうことを防止できる。

図１に示すように、実施の形態１の熱真空試験装置（あるいは従来の熱真空試験装置）では、配管出口８ａ，８ｂが配管入口７ａ，７ｂよりもそれぞれ高くなるように配管入口と配管出口との間に、たとえば５゜の勾配が付いている。勾配がない場合、配管内では液体窒素が沸騰して生じる窒素の蒸気に残存液体が押され、配管出口から液体窒素が排出され易くなると考えられる。この事は不経済なので重力を利用して少しでもシュラウド内に液体窒素を留めようとするために配管には勾配が付けられている。

ただし、計算上では降温初期など受熱量が大きい場合には蒸気速度が非常に大きくなるため重力の作用は無視される。逆に液体窒素を供給するバルブを止め、温度が−１７０℃の状態から供試体パネル２の昇温を開始した時には受熱量が小さくなる。この時には重力の作用が効くため配管入口にいつまでも液体窒素が存在し、その部分だけ温度上昇しないという欠点がある。実施の形態４では配管を水平にすることにより、昇温開始時にも液体窒素が速やかに排出されるという効果が得られる。

また、仮に冷却シュラウド４の端部が中央部よりも供試体パネル２に対して高ければ昇温初期段階でも液体窒素が配管出口から排出され易くなると考えられる。しかし、冷却シュラウド４がこのような勾配を持つと供試体パネル２を数多くセットする際の体積効率が悪くなる。よって、体積効率の点からも冷却シュラウド４を水平にすることが好ましい。

実施の形態４の場合にも冷却シュラウドにヒータブロックを設ける必要がある。ヒータブロックによって液体窒素配管５ａ，５ｂ内の液体窒素が昇温初期段階の早い時点で配管出口８ａ，８ｂから排出される。よって供試体パネル２の昇温時間が短くなる。なお、実施の形態４では、図２に示すように冷却シュラウド４の両長辺端にヒータブロック６ａ，６ｂを設けてもよいし、図８に示すように冷却シュラウド４の両長辺端部および両短辺端部にヒータブロック６ａ〜６ｄを設けてもよい。

以上のように実施の形態４によれば、冷却シュラウドと供試体パネルとが平行に設けられ、かつ、冷却シュラウドと供試体パネルとが水平に設けられることによって配管内の液体窒素が昇温初期段階の早い時点で配管から排出されるので供試体パネル２の昇温時間を短くすることができる。

なお、変形例として、本発明の熱真空試験装置はヒータブロックを冷却シュラウドの全面に設置して冷却シュラウド全体の温度制御を行なってもよい。この変形例ではヒータブロックを冷却シュラウド上に置くのではなく、冷却シュラウドに最初からヒータを埋め込んだ構造を特徴とする。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の熱真空試験装置を示す図である。図１の冷却シュラウド４におけるヒータブロックの設置位置を示す図である。図２の冷却シュラウド４の構成要素を詳細に示す図である。図３のＩＶ−ＩＶ部の断面図である。実施の形態１の熱真空試験装置において温度制御に関する部分の構成を模式的に示すブロック図である。冷却シュラウド４において温度変化のシミュレーションが行なわれた場所を示す図である。図６に示すポイントＡ１〜Ａ６における温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。実施の形態２の熱真空試験装置において冷却シュラウド４上に設置されるヒータブロックの位置を示す図である。実施の形態２の熱真空試験装置において、温度制御に関する部分の構成を模式的に示すブロック図である。実施の形態３の熱真空試験装置における制御装置ＣＴＲＬの温度制御を説明するフローチャートである。実施の形態４の熱真空試験装置における冷却シュラウドの設置構成を示す図である。

符号の説明

１フレーム、２供試体パネル、３加熱ランプ群、４冷却シュラウド、４ａ第１の領域、４ｂ第２の領域、５ａ，５ｂ液体窒素配管、６ａ〜６ｄヒータブロック、７ａ，７ｂ配管入口、８ａ，８ｂ配管出口、９冷却フィン、１０ヒータ、１１温度センサ、１２ネジ、４０，６０端部、５０中央部、１００真空チャンバ、Ａ１〜Ａ６ポイント、Ｂ１〜Ｂ６曲線、ＣＴＲＬ制御装置、Ｓ１〜Ｓ７ステップ、Ｔ１温度センサ。

Claims

供試体パネルを設置することが可能な真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に、前記供試体パネルの第１の主表面と対向するように設けられ、前記供試体パネルを冷却する冷却パネルと、
前記冷却パネルの一部、あるいは全面を加熱する複数のヒータブロックとを備え、
前記複数のヒータブロックの各々は、
設置場所の温度を測定する第１の温度センサと、
電力が供給されて発熱するヒータとを含み、
前記冷却パネルの中央部に設けられる第２の温度センサと、
前記第１の主表面と平行な前記供試体パネルの第２の主表面に対向するように設けられる加熱ランプ群と、
前記第１の温度センサから前記設置場所の温度の測定結果である第１の測定結果を受けて、前記設置場所の温度が所定の温度になるように、前記第１の温度センサに対応する前記ヒータに供給する電力を前記複数のヒータブロックごとに制御する制御装置とをさらに備え、
前記制御装置は、前記加熱ランプ群が前記供試体パネルを加熱する加熱工程において、前記中央部の温度の測定結果である第２の測定結果を前記第２の温度センサから受け、前記所定の温度が前記中央部の温度と等しいか、または、前記中央部の温度よりも高くなるように、前記ヒータに供給する電力を前記複数のヒータブロックごとに制御する、熱真空試験装置。
熱真空試験装置であって、
供試体パネルを設置することが可能な真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に、前記供試体パネルの第１の主表面と対向するように設けられ、前記供試体パネルを冷却する冷却パネルと、
前記冷却パネルの一部、あるいは全面を加熱する複数のヒータブロックとを備え、
前記複数のヒータブロックの各々は、
設置場所の温度を測定する温度センサと、
電力が供給されて発熱するヒータとを含み、
前記熱真空試験装置は、
前記温度センサから前記設置場所の温度の測定結果を受けて、前記設置場所の温度が所定の温度になるように、前記温度センサに対応する前記ヒータに供給する電力を前記複数のヒータブロックごとに制御する制御装置をさらに備え、
前記冷却パネルは、長方形であり、
前記冷却パネルは、前記長方形の４つの辺のうちの平行な２辺をそれぞれ含む第１、第２の端部と、前記第１、第２の端部の間にある中央部とを有し、前記中央部によって前記第１の端部を含む第１の領域と、前記第２の端部を含む第２の領域とに分割され、
前記熱真空試験装置は、
前記第１の領域を覆うように蛇行し、前記第１の端部に第１の入口が設けられ、前記中央部に第１の出口が設けられて、内部を冷媒が流れる第１の配管と、
前記第２の領域を覆うように蛇行し、前記第２の端部に第２の入口が設けられ、前記中央部に第２の出口が設けられて、内部を冷媒が流れる第２の配管とをさらに備え、
前記複数のヒートブロックのうちの少なくとも２つのヒートブロックは、前記第１の入口および前記第２の入口をそれぞれ加熱する、熱真空試験装置。
熱真空試験装置であって、
供試体パネルを設置することが可能な真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に、前記供試体パネルの第１の主表面と対向するように設けられ、前記供試体パネルを冷却する冷却パネルと、
前記冷却パネルを加熱する複数のヒータブロックと、
前記第１の主表面と平行な前記供試体パネルの第２の主表面に対向するように設けられる加熱ランプ群とを備え、
前記冷却パネルは、長方形であって、前記長方形の４つの辺のうちの平行な２辺をそれぞれ含む第１、第２の端部の間にある中央部によって、前記第１の端部を含む第１の領域と、前記第２の端部を含む第２の領域とに分割され、
前記熱真空試験装置は、
前記第１の領域を覆うように蛇行し、前記第１の端部に第１の入口が設けられ、前記中央部に第１の出口が設けられて、内部を冷媒が流れる第１の配管と、
前記第２の領域を覆うように蛇行し、前記第２の端部に第２の入口が設けられ、前記中央部に第２の出口が設けられて、内部を冷媒が流れる第２の配管とをさらに備え、
前記複数のヒートブロックは、前記平行な２辺を含む前記冷却パネルの端部を加熱する位置に配置され、かつ、設置場所の温度を測定する温度センサと、電力が供給されて発熱するヒータとを含み、
前記熱真空試験装置は、
前記温度センサから前記設置場所の温度の測定結果を受けて、前記設置場所の温度が所定の温度になるように、前記温度センサに対応する前記ヒータに供給する電力を前記複数のヒータブロックごとに制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記加熱ランプ群が前記供試体パネルを加熱する加熱工程において、前記複数のヒートブロックが前記冷却パネルの端部を加熱するように、前記ヒータに供給する前記電力を制御する、熱真空試験装置。