JP5327797B2

JP5327797B2 - 恒温恒湿器

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Publication number: JP5327797B2
Application number: JP2009057170A
Authority: JP
Inventors: 恵子戸井
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010210443A

Description

本発明は、環境試験装置の１つである恒温恒湿器に関し、特に高温高湿状態の試験を行うための恒温恒湿器に関する。

機器や部品等の耐久性をテストする方法として環境試験が用いられており、このような環境試験は、環境試験装置を使用して行われる。環境試験として様々な試験が行われ、試験に応じて各種の環境試験装置を用いる。各種半導体素子、電子回路等の信頼性評価、スクリーニング等のためにバーンイン処理を行ったり、各種物品や材料の耐熱性、耐湿性等を試験するために、環境試験装置の１つとして恒温恒湿器が用いられている。

恒温恒湿器は、ヒータと冷却装置及び加湿装置を備え、庫内に所望の環境を作るものであり、例えば、温度６０℃、湿度８０％といった温度と湿度の環境を人工的に作る（特許文献１参照）。

従来の恒温恒湿器では、狭い空間で湿度分布を測定する際に、測定環境に湿度変化を与えないために、多数の湿度センサーを用いることができないので、湿度分布測定時は、湿球あるいは湿度センサーを用いて恒温恒湿器の中央の１点だけを測定していた。この１点の湿度と、複数配置された乾球温度計によって複数点測定した温度を元に計算して湿度分布を求めている。

特開２０００−１１１１２７号公報

しかしながら、このような計算で求めた湿度分布と実際の湿度分布は完全に一致するものではなく、ずれが生じるという問題があった。

そこで本発明は、従来技術の前記した問題点に鑑みて、正確な湿度分布を得ることが可能で、さらに試験に必要な湿度分布とすることが可能な恒温恒湿器を提供することを目的とする。

本発明の恒温恒湿器は、断熱材で覆われ、内部の１点の温湿度を測定するための温湿度測定手段を備えた内槽と、前記内槽の内部の温度および湿度を変化させる、加熱器、冷却器、加湿器、および送風機を備え、高温高湿状態の試験に用いる恒温恒湿器であって、前記内槽の内表面に複数の温度センサーを設け、さらに、前記内槽の内表面から所定の間隔を離して風速計を設けており、前記温湿度測定手段によって測定した前記内槽の内部の１点の温湿度、前記温度センサーによって測定した温度、および前記風速計によって測定した風速から、前記内槽の内部の湿度分布を算出する制御装置を備え、前記制御装置は、前記温度センサーによる測定温度を湿球温度とみなし、前記温湿度測定手段による測定温度を乾球温度とみなすことで湿度を算出することを特徴とする。

前記内槽の内部の結露が生じる場所に前記温度センサーを設ける、または、前記温度センサーを設けた場所に結露を発生させる、さらには、前記制御装置によって、複数の温度センサーによる測定温度の中から、結露状態であると判断した測定温度を抽出して、湿球温度とみなして湿度を算出する。

さらに、前記制御装置によって得られた湿度分布と、試験の際の設定湿度とを比較し、前記湿度分布が前記設定湿度に近づくように、前記制御装置によって、加熱器、加湿器、冷却器、送風機の作動を制御する。

前記制御装置によって、予め無試料状態で算出しておいた湿度分布と試験時に得られた湿度分布を比較して、試験時の湿度分布に異常があると判断したら異常を知らせるアラームを備えることも可能である。

また、前記温湿度測定手段として、１つの湿度センサー、あるいは、乾球温度計と湿球温度計を用いる。

本発明の恒温恒湿器は、断熱材で覆われ、内部の１点の温湿度を測定するための温湿度測定手段を備えた内槽と、前記内槽の内部の温度および湿度を変化させる、加熱器、冷却器、加湿器、および送風機を備えた恒温恒湿器であって、前記内槽の内表面に複数の温度センサーを設け、さらに、前記内槽の内表面から所定の間隔を離して風速計を設けており、前記温湿度測定手段によって測定した前記内槽の内部の１点の湿度、前記温度センサーによって測定した温度、および前記風速計によって測定した風速から、前記内槽の内部の湿度分布を算出する制御装置を備えることによって、内槽内部の正確な湿度分布を得ることが可能となる。

結露が生じる場所に前記温度センサーを設ける、または、前記温度センサーを設けた場所に結露を発生させる、さらには、前記制御装置によって、複数の温度センサーによる測定温度の中から、結露状態であると判断した測定温度を抽出して、湿球温度とみなして湿度を算出することにより、より正確な湿度分布を得ることが可能となる。

さらに、前記制御装置によって得られた湿度分布と、試験の際の設定湿度とを比較し、前記湿度分布が前記設定湿度に近づくように、前記制御装置によって、加熱器、加湿器、冷却器、送風機の作動を制御することにより、試験に必要な理想的な湿度分布へと近づけることが可能となり、より精度の高い環境試験を行うことが可能となる。

また、前記制御装置によって、予め無試料状態で算出しておいた湿度分布と試験時に得られた湿度分布を比較して、試験時の湿度分布に異常があると判断したら異常を知らせるアラームを備えることにより、試験に不具合が生じたら自動的に試験を中止したり、速やかに試験を正常な状態に戻す対応が可能となる。

本発明の恒温恒湿器の概略断面図である。結露を発生させる手段として、窪みと軸流ファンを用いた場合の温度センサー付近の断面図である。結露を発生させる手段として、ヒートパイプを用いた場合の温度センサー付近の断面図である。

本発明を実施するための形態

以下に図を用いて本発明の恒温恒湿器１について詳しく説明する。図１が恒温恒湿器１の概略断面図である。

本発明の恒温恒湿器１は、高温高湿状態の試験を行うためのものであり、試験対象となる試料を入れる内槽２と、前記内槽２の内部の温度および湿度を変化させる、送風機３、加熱器４、冷却器５、および加湿器６を備える。前記内槽２は断熱材９で覆われ、隔壁１８によって、前記内槽２と加熱器４、加湿器６、冷却器５、送風機３が配置された空間とが仕切られている。

前記内槽２には、前記内槽２の内部の１点の温湿度を測定するための温湿度測定手段８が設けられている。本実施形態では、前記温湿度測定手段８として、温度センサーと湿度センサーが１つになった温湿度センサーを用いている。しかし、前記温湿度測定手段８としては温湿度センサーに限定するものではなく、乾球温度計および湿球温度計を用いてもよい。乾球温度計および湿球温度計を用いる場合には、１点の乾球温度と１点の湿球温度を測定して、これらの温度から１点の湿度を算出することができる。

このような温湿度測定手段８は従来の恒温恒湿器でも用いられていたが、本発明の恒温恒湿器１では、さらに、前記内槽２の内表面に、複数の温度センサー１０を設けている。前記温度センサー１０は、内槽２の内表面の所定の箇所に埋め込むことができ、例えば、図１に示すように、内壁に埋め込む以外にも、扉１７の内表面、あるいは内槽２の底面または天井に埋め込むことができる。

温度センサー１０を配置する個数も特に限定するものではなく、内槽２の大きさや、試料の個数や配置状態に応じて設定することができる。前記温度センサー１０としては熱電対を用いており、前記内槽２の内表面の材質と同じ熱容量を有するものを用いることが好ましい。また、内槽２の半密閉性や断熱性に支障を与えない形状および取り付け方法を用いることが好ましい。

さらに、前記内槽２には、その内表面から所定の間隔を離した状態で風速計１９を設ける。前記風速計１９としては、熱線風速計等を使用する。風速計１９によって得られる風速に応じて、湿度を求めるのに必要な式が決定される。

前記温湿度測定手段８、前記温度センサー１０および前記風速計１９は制御装置１１と接続されており、前記温湿度測定手段８によって測定された前記内槽２の内部の温湿度、および前記温度センサー１０によって測定された前記内槽２の内表面の温度分布、および前記風速計１９によって測定された風速は、制御装置１１に送られる。そして、これらのデータを元に、前記制御装置１１の湿度算出部１２によって、前記温度センサー１０が設けられた場所の湿度を求める。前記制御装置１１は、前記温度センサー１０による測定温度を湿球温度とみなし、前記温湿度測定手段８による測定温度を乾球温度とみなすことで湿度分布を算出している。これによって、前記内槽２の内部の湿度分布が得られる。湿度算出部１２には、風速に応じて湿度を算出する式が保存されており、風速計１９によって得られた風速に応じて、前記湿度算出部１２は湿度を求めるのに必要な式を決定する。

本発明では上述のように、前記温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度とみなして、湿度分布の測定に用いている。これは、内槽２内部では気化された水蒸気が、露点温度まで下がると液化され結露を生じる。結露が生じた状態でそのまま結露が進むのではなく、結露した水が蒸発する状態が生じる。このような状態の時に、結露した部分で温度センサー１０によって温度を測定すると湿球温度を測定しているのと同じ状態になる。そこで、本発明では、温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度とみなす。

上述のように、温度センサー１０によって温度を測定する場合、上述のような蒸発をしている結露状態となっていることが好ましく、このような状態は高温高湿状態の試験で生じやすい。そのために、温度センサー１０を設ける場所を設定する際に、適切な温度を測定するためには幾つかの方法がある。１番目としては、内槽２内部の結露が発生しやすい場所に温度センサー１０を配置する方法である。これは、例えば、内槽２の奥で水を加熱して気化させた後、再加熱することで内槽２内部の温湿度を保つ方法を用いた場合に、内槽２の内表面の扉側１７側では、水蒸気が露点温度まで下がり結露しやすいので、内槽２の内表面としては扉１７の位置を選択して複数の温度センサー１０を配置することができる。このように試験状態や恒温恒湿器によって特定の位置に結露が生じる場合には、その場所に温度センサー１０を配置すればよい。

２番目としては、温度センサー１０を配置する場所に、意図的に結露を発生させる方法である。これは、例えば、図２に示すように、温度センサー１０および風速計１９を設けた箇所の内槽２の外表面の断熱材９を部分的に薄くして窪み２１を設け、上記窪み２１に軸流ファン２２を設けて局所的に風を当てて結露を発生させる方法、あるいは、図３に示すように、内槽２の温度センサー１０および風速計１９を設けた場所の断熱材９にヒートパイプ２３を埋め込んでおき結露を発生させる方法等がある。結露を発生させる方法は、これらに限定するものではなく、上述の窪みあるいは軸流ファンのどちらか１つだけを設ける方法、あるいはヒートパイプ以外の手段を埋め込む方法等、様々な方法を用いて結露を発生させることが考えられる。

上述の２つの方法では、試験の状態や試料の配置状況によっては、結露が発生せずに、温度センサー１０が湿球温度とは全く異なる温度を測定する可能性もある。そこで、３番目の方法としては、複数の温度センサー１０によって測定された温度が湿球温度であるかどうかを前記制御装置１１によって判断し、湿球温度として用いることができると判断された温度センサー１０の測定結果だけを抽出して、湿度分布の算出に用いる方法である。このような方法を用いれば、１，２番目に示したような温度センサー１０の配置だけでなく、結露の発生状況に関係なく多数の温度センサー１０を配置しておき、実際に結露が発生した場所の温度センサー１０だけを用いることが可能となり、温度センサー１０の配置をより自由に行うことができる。

前記送風機３、加熱器４、冷却器５および加湿器６は、制御装置１１の温度・湿度制御部１３によって制御される。前記湿度算出部１２によって得られた各温度センサー１０が設けられた場所の湿度を、試験の設定湿度と比較する。この時、設定湿度と異なる湿度の場所がある場合に、前記温度・湿度制御部１３によって、設定湿度となるように、前記送風機３、加熱器４、冷却器５および加湿器６を作動させて、前記内槽２の湿度分布を変化させる。

本発明の恒温恒湿器１の使用方法について説明する。まず初めに、恒温恒湿器１を無試料状態で作動させる。この時、あらかじめ得られているデータに基づき、内槽２内部が設定した湿度となるように、前記温度・湿度制御部１３によって、前記送風機３、加熱器４、冷却器５および加湿器６を作動させて、前記内槽２の湿度および温度を変化させる。

所定の時間が経過し設定した湿度・温度状態となったら、ＩＥＣあるいはＪＴＭ規格に則って、前記温湿度測定手段８によって、温湿度を１点測定する。この時、同時に、前記温度センサー１０を用いて前記内槽２の内表面の温度を測定し、さらに、前記風速計１９によって、風速を測定する。風速計１９によって得られた風速に応じて、湿度を求めるのに必要な式を決定し、前記温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度として、前記制御装置１１の湿度算出部１２において乾湿球温度計算から湿度を算出する。これにより、前記温度センサー１０が設けられた箇所の湿度が得られる。

次に、恒温恒湿器１を有試料状態で作動させ、無試料状態と同じ設定湿度となるように、前記温度・湿度制御部１３によって、前記送風機３、加熱器４、冷却器５および加湿器６を作動させて、前記内槽２の湿度および温度を変化させる。

所定の時間が経過したら、無試料状態と同様に、ＩＥＣあるいはＪＴＭ規格に則って、前記温湿度測定手段８によって温湿度を測定し、前記温度センサー１０を用いて前記内槽２の内表面の温度を測定し、さらに、前記風速計１９によって風速を測定する。風速計１９によって得られた風速に応じて、湿度を求めるのに必要な式を決定し、前記温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度として、前記制御装置１１の湿度算出部１２において乾湿球温度計算から湿度を算出する。これにより、前記温度センサー１０が設けられた箇所の湿度が得られる。

前記制御装置１１によって、得られた湿度分布を無試料状態の湿度分布と比較する。比較の結果、無試料状態と同じ湿度分布となれば問題ないが、異なる湿度分布が得られると、前記内槽２の内部に滞留箇所が存在していると判断される。

湿度分布から滞留箇所が判明したら、滞留を解消するための対応が必要となる。滞留解消の方法としては幾つかの方法がある。まずは、試料の配置状態を変更させる方法である。試料の向きや配置場所を変更することによって、滞留を解消させる。あるいは、複数の試料を配置している場合には、試料数を変更することも考えられる。これにより、適切な試料数を知ることも可能である。

また、前記制御装置１１を用いる方法として、前記送風機３を作動させて風速の変更を行い、滞留を解消する方法がある。さらに、補助送風機を新たに設置する方法や、予め前記補助送風機を設置しておいて、必要に応じて前記制御装置１１によって前記補助送風機の作動を制御する方法が用いられる。さらに、送風機３の吹出し部に風向可変装置を設けて適宜風向を変更してもよい。このような方法を用いる場合には、前記温度・湿度制御部１３によって、適切な制御が行われるようにすることが好ましい。

このような方法を用いて滞留箇所を解消することにより、本願発明の恒温恒湿器１は、内槽２を試験に必要な設定湿度に近い湿度分布とすることが可能となり、より正確な試験を行うことができる。また、前記湿度分布を測定する手順を温度の変化に応じて時系列で行うと、湿度分布の変化状態を時系列で得ることも可能である。

また、前記制御装置１１によって得られた試験時の湿度分布を無試料状態の湿度分布と比較した結果、試験時の湿度分布が無試料状態と較べて明らかに異状な湿度分布を示している場合、前記制御装置１１に接続したアラーム２０によって、異常を知らせることも可能である。前記アラーム２０は光や音、あるいはディスプレイにエラーを表示させる等の様々な手段を用いることができる。前記アラーム２０によって知らされた異常に対しては、使用者が手動で対応するか、あるいは、自動的に試験を停止させることも可能である。

本発明では、上述のように、前記温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度としているが、このことが適切であることを確認するために実験を行っている。実験に用いたのはエスペック製恒温恒湿器ＳＨ２４１（Ｎｏ．９２００２７０６、２００４年製）である。結露が生じやすい前記恒温恒湿器の内槽の扉の内表面の４箇所にＴ型熱電対を取り付け、前記Ｔ型熱電対を記録計（横河電気製ＤＲハイブリットレコーダ）に接続して、内槽の内部の温度を記録する。

前記恒温恒湿器を設定温度８５℃・設定湿度８５％に設定し、Ｔ型熱電対を取り付けた４箇所の温度を計測する。すると４箇所の温度は、８１．０℃、８０．６℃、８０．２℃、８１．３℃となり、４箇所の平均は８０．８℃となる。これを、理論値の湿球温度と比較すると、理論値の湿球温度は８１℃となり、ほぼ同じとなる。これにより、Ｔ型熱電対による測定温度を湿球温度とすることが可能であることが確認できる。

また、この実験の際に、結露が生じない場所を２箇所選択して同様の前記Ｔ型熱電対によって温度を記録すると、２箇所の温度は、８４．９℃と８４．７℃となり、ほぼ設定温度と同じ温度となることが解った。この結果は、複数の温度センサー１０によって測定された温度が湿球温度であるかどうかを制御装置１１によって判断することが可能であることを示している。よって、制御装置１１により測定された温度が湿球温度であるかどうかを判断する際の１つの基準として、温度センサー１０によって測定された温度と設定温度との差を用いることができる。

同様の装置を用いて、設定温度６０℃・設定湿度９０％、設定温度６０℃・設定湿度８０％の２つの条件で計測を行った。その結果、設定温度６０℃・設定湿度９０％の場合、４箇所の温度は、５７．５℃、５６．９℃、５６．６℃、５７．５℃となり、４箇所の平均は５７．１℃となる。これに対し、理論値の湿球温度は５７．９℃となり、ほぼ同じとなった。設定温度６０℃・設定湿度８０％の場合、４箇所の温度は、５６．９℃、５５．６℃、５４．９℃、５７．０℃となり、４箇所の平均は５６．１℃となる。これに対し、理論値の湿球温度は５５．６℃となり、ほぼ同じとなった。しかしながら、設定温度が８５℃から６０℃に下がると、精度が少し低下しているのが判る。

また、同様の実験を、設定温度６０℃・設定湿度７０％、設定温度６０℃・設定湿度６０％の２つの条件で計測を行うと、その結果、設定温度６０℃・設定湿度７０％の場合、４箇所の平均は５５．１℃となり、これに対し、理論値の湿球温度は５３．１℃となる。また、設定温度６０℃・設定湿度６０％の場合、４箇所の平均は５６．１℃とり、これに対し、理論値の湿球温度は５０．４℃となり、設定湿度が低下すると理論値との誤差が大きくなっていることが判る。

このような実験から本発明の恒温恒湿器１を高温高湿状態の試験に用いる場合には、前記温度センサー１０によって測定された温度を湿球温度として湿度分布を求めることが正しいことが確認でき、必要な精度を確保することが可能であることが明らかである。このことからも、初めに述べたように、本発明の恒温恒湿器は高温高湿状態の試験で用いることが好ましい。

１恒温恒湿器
２内槽
３送風機
４加熱器
５冷却器
６加湿器
８温湿度測定手段
９断熱材
１０温度センサー
１１制御装置
１２湿度算出部
１３温度・湿度制御部
１７扉
１８隔壁
１９風速計
２０アラーム
２１窪み
２２軸流ファン
２３ヒートパイプ

Claims

断熱材で覆われ、内部の１点の温湿度を測定するための温湿度測定手段を備えた内槽と、前記内槽の内部の温度および湿度を変化させる、加熱器、冷却器、加湿器、および送風機を備え、高温高湿状態の試験に用いる恒温恒湿器であって、
前記内槽の内表面に複数の温度センサーを設け、さらに、前記内槽の内表面から所定の間隔を離して風速計を設けており、
前記温湿度測定手段によって測定した前記内槽の内部の１点の温湿度、前記温度センサーによって測定した温度、および前記風速計によって測定した風速から、前記内槽の内部の湿度分布を算出する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記温度センサーによる、結露が生じた箇所の測定温度を湿球温度とみなし、前記温湿度測定手段による測定温度を乾球温度とみなすことで湿度分布を算出することを特徴とする恒温恒湿器。
前記内槽の内部の結露が生じる場所に前記温度センサーを設けたことを特徴とする請求項１に記載の恒温恒湿器。
前記温度センサーを設けた場所に結露を発生させることを特徴とする請求項１に記載の恒温恒湿器。
前記制御装置によって、複数の温度センサーによる測定温度の中から、結露状態であると判断した測定温度を抽出して、湿球温度とみなして湿度を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の恒温恒湿器。
前記制御装置によって得られた湿度分布と、試験の際の設定湿度とを比較し、前記湿度分布が前記設定湿度に近づくように、前記制御装置によって、加熱器、加湿器、冷却器、送風機の作動を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の恒温恒湿器。
前記制御装置によって、予め無試料状態で算出しておいた湿度分布と試験時に得られた湿度分布を比較して、試験時の湿度分布に異常があると判断したら異常を知らせるアラームを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の恒温恒湿器。
前記温湿度測定手段として、１つの湿度センサー、あるいは、乾球温度計と湿球温度計を用いることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の恒温恒湿器。