JP5456536B2 - 恒温装置 - Google Patents
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Description
そこで、この種の恒温装置では、強力な送風機を用いて恒温装置内を強く攪拌して、内部に高速の空気の流れを形成することで、温度差を小さくして温度分布の均一化を図っている。
具体的には、送風機は、恒温装置内部の設定温度や半導体デバイス等の予測し得る最大発熱量を基に、予め設定された一定の送風量を確保することができる強力なものが選定される。また、従来技術においては、バーンイン試験の間、送風機は一定の風量となるように一定の回転数で回転される。
多くの場合、バーンイン試験の間、送風機はフル回転で回転される。
また、モータの容量が増強された送風機は、空気を攪拌する仕事量も大幅に増加されているため、攪拌熱によって恒温装置内の温度を昇温させてしまう。そしてこの熱量は、冷却装置で吸収する必要がある。
従来の恒温装置では、このような送風機を、恒温装置の運転初期から試験終了まで一貫して、一定の送風量で作動させるため、恒温装置内部の温度状況によっては送風量が過大である場合もあり、空気の攪拌と冷却の仕事量分だけ無駄な電力消費を生じていた。
また送風機が空気を攪拌するエネルギーが過大となり、恒温装置内の温度が昇温してしまい、恒温装置の温度上昇を抑えるために冷凍機を運転しなければならないという無駄が生じ、この点からも省エネルギーを図ることが困難であった。
実際上は、摂氏4度とか摂氏6度と言うような特定の温度差を目標としてインバータによる比例制御やオンオフ制御を行うが、その場合であっても制御上その温度差に正確に一致させることが困難であれば、ある程度の温度差の範囲を保つ様に制御されることとなる。
これにより、試料配置部を流動する空気の流速が減少するため、流動空気が発熱試料体により加熱され得る時間(滞留時間)が増加されて、前記温度差が適正温度差に近づく。
かかる構成によれば、送風機の送風量を回転数により増減させるため、目的の風量に制御しやすい。例えば、この手段としては、送風機のモータとして直流モータを採用した場合は、当該直流モータを電圧制御する方策がある。また、送風機のモータとして交流モータを採用した場合は、当該交流モータをインバータ制御するなどの方策が挙げられる。
即ち、本発明では、下流側温度と上流側温度との温度差が適正温度差未満である場合は前記所定範囲にある場合に比べて送風機の送風量を減少させ、前記温度差が適正温度差を超える場合は適正温度差にある場合に比べて送風機の送風量を増大させる。そのため前記温度差が試験に悪影響を与える範囲にまで拡がることなく、且つ過剰なまでに温度差がなくなることもない。そのため本発明によれば、送風機の電力消費をより低減することができる。
そこで請求項4に記載の発明は、上流側温度検知手段及び下流側温度検知手段のうち、複数設けられた温度検知手段はそれぞれ離れた位置に配置され、下流側温度検知手段が検知する検知温度の中の最高温度または最低温度と、上流側温度検知手段が検知する検知温度の中の最低温度または最高温度との温度差に基づいて送風機の送風量が制御されることを特徴とする請求項3に記載の恒温装置である。
なお下流側温度及び上流側温度の組み合わせは任意であり、下流側温度の最高温度と上流側温度の最低温度を採用する方策、下流側温度の最高温度と上流側温度の最高温度を採用する方策、下流側温度の最低温度と上流側温度の最低温度を採用する方策、下流側温度の最低温度と上流側温度の最高温度を採用する方策を採用可能である。ただしより下流側温度と上流側温度との温度差をより正確に制御するという観点から、下流側温度の最高温度と上流側温度の最低温度を採用する方策を採用することが推奨される。
そして本発明は、複数の層の上流側に前記上流側温度検知手段があり、当該層の下流側に前記上流側温度検知手段と対応する下流側温度検知手段が設置されている。従って上流側温度検知手段とこれに対応する下流側温度検知手段が一対となり、当該層を流れる空気の温度差を測定することとなり、複数の層の温度差が個別に検知される。
そして本発明では、複数の層の温度差の内、最も温度差が大きいものを基準とし、この温度差に基づいて送風機の送風量を増減させる。
またさらにこれを発展させ、試料配置部を通過する空気の流れを複数の層に分けるための仕切等を設けてもよい。
試料配置部内の温度自体を設定値に維持する際における基準となる温度は、上流側温度、下流側温度あるいはこれらの平均を利用することができる。
なお、本実施形態の恒温装置1は、半導体デバイス(発熱試料体W)をバーンイン試験するバーンイン試験装置であり、発熱試料体Wの発熱量が年々増加傾向を辿っている背景を踏まえて、高発熱の発熱試料体Wを検査できる構成とされている。具体的には、発熱試料体Wの合計発熱量が、7〜8kwh程度までが対象とされている。
そして、試料配置部2を通過する空気は、通電されて発熱した発熱試料体Wと熱交換する。
前記した様に試料配置部2を通過する空気は、a層からe層に分かれて流れることとなるから、上流側上部温度センサ16はa層に導入される空気の温度を測定することとなり、上流側下部温度センサ17はe層に導入される空気の温度を測定することとなる。
これにより、送風通路10において鉛直方向に温度ムラがあっても、温度センサ16,17の平均温度や、最低、最高温度を基準とすることで制御性能を高めることができる。また、複数の温度センサを設けることで、いずれかの温度センサが故障した場合であっても、試料配置部2の温度制御を確実に実行することができる。
なお本実施形態では、2つの温度センサ(上流側温度検知手段)16,17の検知温度の平均値を上流側温度Aとして制御が行われる。
これにより、排気通路11において鉛直方向に温度ムラがあっても、温度センサ18,20の平均温度や、最低、最高温度を基準とすることで制御性能を高めることができる。また、前記したように、いずれかの温度センサが故障した場合であっても、試料配置部2の温度制御を実行することができる。
なお本実施形態では、2つの温度センサ(下流側温度検知手段)18,20の検知温度の平均値を下流側温度Bとして制御が行われる。
また、排気通路11にも、前記同様の規制板36が1つ設けられている。
なお、本実施形態では、前記した様に二つの上流側温度センサ16,17の平均温度が上流側温度Aであり、二つの下流側温度センサ18,20の平均温度が下流側温度Bである。当該上流側温度A自体及び下流側温度B自体も前記演算部で演算されている。即ち本実施形態では、上流側における平均温度と下流側における平均温度が演算され、さらに上流側温度Aと下流側温度Bとの温度差C(下流側温度B−上流側温度A)が演算される。
本実施形態の恒温装置1では、試料配置部2の試料載置棚6に発熱試料体Wを載置し、熱風によって試料配置部2を加熱すると共に発熱試料体Wに通電して発熱試料体Wを試験する。試料配置部2の設定温度(設定値)は例えば摂氏125度といった高温である。
本実施形態の恒温装置1は、前記した様に送風機12の吹き出し部の温度を試料配置部2の温度とし、試料配置部2の温度は、上流側温度センサ16の検知温度を基準にヒータ13a〜13fの入力をPID制御して調節される。
また、本実施形態では、試料配置部2の温度分布を均一に制御し、且つ上流側温度検知手段が検知する上流側温度と下流側温度検知手段が検知する下流側温度との間に所定の適正温度差が存在するように、送風機12の送風量がPID制御される。
なお、以下の説明では、恒温装置1における送風量を無段階に増減させることが可能な構成として説明する。
即ち本実施形態に対する比較として、恒温装置1の試料配置部2に発熱試料体Wを満載し、且つ送風機12の送風量を一定にして、バーンイン試験を行った場合の試料配置部2の温度分布について説明する。
即ち恒温装置1の初期動作時においては、発熱試料体Wの発熱量は低く、試料配置部2を通過する空気の熱が試料載置棚6やその他の内部材料及び発熱試料体W自体に奪われるため、上流側温度Aと下流側温度Bとを比較すると、下流側温度Bのほうが低い状態となる。
その後、発熱試料体Wの発熱によって試料載置棚6やその他の内部材料が加熱されて昇温し、時間の経過と共に上流側温度Aと下流側温度Bの温度差が小さくなる。
逆に試料載置棚6等の熱容量が小さく、発熱試料体Wの発熱量が大きい場合には図3(b)の様に試料配置部2の温度が設定温度となる前に、下流側温度Bの方が上流側温度Aよりも高くなる。
そして、送風機12の送風量が少ない場合には、図4に示すように、上流側温度Aと下流側温度Bの温度差Cが大きくなり、送風機12の送風量が多い場合には、図5に示すように、上流側温度Aと下流側温度Bの温度差Cが小さくなる。
以上は、本実施形態の効果を説明するための比較例であり、送風機12の送風量を一定にして、バーンイン試験を行った場合の試料配置部2の温度分布について説明したものであるが、本実施形態では、前記した様に上流側温度検知手段が検知する上流側温度と下流側温度検知手段が検知する下流側温度との間に所定の適正温度差が存在するように、送風機12の送風量をPID制御している。
また試験中に発熱試料体Wの発熱量(全発熱試料体Wの総発熱量)が、試験条件の変化や発熱試料体W自身の故障によって変化し、発熱試料体Wが発生する熱と、ダンパ部21を経由して外部に排出される熱とヒータ13によって追加される熱及び送風機12による攪拌熱の平衡が崩れて上流側温度Aが設定温度を外れると、ヒータ13の発熱量が調整されて上流側温度Aを設定温度の近傍に戻す。
また上流側温度Aと下流側温度Bの温度差Cをグラフにすると図7の通りである。
即ち、恒温装置1の初期動作時においては、図7に示すように、一旦、上流側温度Aと下流側温度Bとの温度差Cが大きくなる(マイナス側)が、発熱試料体Wの発熱により、経時的に当該温度差Cが小さくなる方に変化する。そして、上流側温度Aと下流側温度Bとの温度差Cが0度となったところを境として、下流側温度Bが上流側温度Aより高温となる。即ち、温度差Cが0度となったところを境に、発熱試料体Wの表面温度が送風機12により送り出される空気の温度よりも高くなり、試料配置部2を通過する空気が発熱試料体Wによって加熱される。なお、本実施形態では、恒温装置1が作動してから一定時間経過し、恒温装置1内の温度が設定温度(設定値)になるまでの動作を初期動作と言っている。本実施形態では、恒温装置1内の温度が設定温度(設定値)になるまでの間(初期動作期間)は、恒温装置1内の温度が上昇過程にあるので、送風機12を全力で回転させる。
しかしながら本実施形態では、初期動作期間を終えると、上流側温度検知手段が検知する上流側温度と下流側温度検知手段が検知する下流側温度との間に所定の適正温度差が存在するように、送風機12の送風量がPID制御される。そのため送風機12の送風量が増減されるので、図6のa−b間の様に送風機12の送風量は低下傾向となる。その結果下流側温度Bと上流側温度Aとの温度差Cは、図6、図7の様に適正温度差に収束して安定する。
これにより、本実施形態の恒温装置1では、バーンイン試験において、試料配置部2の温度環境を効率的に設定温度に近づけると共に、許容可能な範囲の温度分布にして、省エネルギーを図ることが可能となる。
さらに、上流側温度センサ16の検知温度が、摂氏100度〜摂氏110度程度に至ると、ダンパ部21が開かれ、且つヒータ13の入力が比例制御に基づいて減ぜられる。
その後、図7に示すように、温度差Cが所定の範囲となるよう、送風機12の回転数が落ち、送風量が少ない状態となる(図6のa−b間)。
そして、下流側温度Bが発熱試料体Wの発熱により高温となり、温度差Cが拡大しようとするので、これに合わせて送風量が次第に増加する(図6のb−c間)。つまり温度差Cが拡がり過ぎて温度分布が所定の範囲を超えることを防止するために、送風機12の送風量が制御される。
即ち、本実施形態においては、温度差Cに基づいて制御を実行する場合、温度差Cが一定となる様に送風機12の送風量が制御される。
例えば図6に示すように、時間T1の時に外乱として発熱試料体Wの発熱量の低下が生じ、下流側温度センサ18,20の検知温度が低下したとすると、試料配置部2の温度差Cが適正温度差未満となる。送風機12は、温度差Cが適正温度差を維持する様にPID制御されているから、時間T1以降は送風機12の回転数が低下し送風量が下がる。そのため下流側温度センサ18,20の検知温度が上昇し、温度差Cが適正温度差に戻る。
ここで本実施形態では、ヒータ13は上流側上部温度センサ16の検知温度が設定温度となる様にPID制御されているから、ヒータ13の入力が増大し、適正温度差を維持したままの状態で、全体の温度が上昇する。その結果、試料配置部2の温度が設定温度であり、且つ試料配置部2の温度差Cが適正温度差となる。
Q:恒温装置1内部で発熱し得る全ての機器の発熱量[kw]
860[kcal/kw]
Cp:空気の定圧比熱[kcal/kg・K]
γ:空気の密度[キログラムパー立方メートル kg/m3 ]
B:下流側温度
A:上流側温度
また上記実施形態では、送風機12の送風量やヒータをPID制御したが、これらをオンオフ制御してもよい。
図8、図9は、送風量を二段階にオンオフ切り替え(正確には強弱切り替え)することによって送風量を調節する際の温度変化を示すものであり、温度が一定の周期で昇降する。
また、試料配置部2近傍に設けた全ての温度センサ16,17,18,20の検知温度の平均値が設定値に制御される構成であっても構わない。
2 試料配置部
5 通路部
10 送風通路
11 排気通路
15 循環通路
12 送風機
13 ヒータ(加熱手段)
16 上流側上部温度センサ(上流側温度検知手段)
17 上流側下部温度センサ(上流側温度検知手段)
18 下流側下部温度センサ(下流側温度検知手段)
20 下流側上部温度センサ(下流側温度検知手段)
21 ダンパ部(温度降下手段)
40 風量調整ダンパ
A 上流側温度
B 下流側温度
C 温度差
W 発熱試料体
Claims (9)
- 発熱する発熱試料体が配置される試料配置部と、試料配置部において空気を一定方向に流動させることが可能な送風機と、試料配置部の温度を上昇させることが可能な加熱手段と、試料配置部の温度を降下させることが可能な温度降下手段とを有し、試料配置部内の温度を設定値に維持可能な恒温装置であって、
恒温装置内部には、試料配置部に対して空気の流れ方向上流側の温度を検知する上流側温度検知手段と、試料配置部に対して空気の流れ方向下流側の温度を検知する下流側温度検知手段とを有し、
試料配置部の温度を設定値に制御する際には、上流側温度検知手段の検知温度を基準に加熱手段を制御して試料配置部の温度を調節し、
上流側温度検知手段が検知する上流側温度と下流側温度検知手段が検知する下流側温度との間の温度差が所定の適正温度差の範囲を保つように、送風機の送風量を増減させることを特徴とする恒温装置。 - 上流側温度と下流側温度との間の温度差が適正温度差未満である場合は、送風機の送風量を減少させ、
前記温度差が適正温度差を超える場合は、送風機の送風量を増大させることを特徴とする請求項1に記載の恒温装置。 - 上流側温度検知手段と下流側温度検知手段の内の少なくとも一方は、複数設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の恒温装置。
- 上流側温度検知手段及び下流側温度検知手段のうち、複数設けられた温度検知手段はそれぞれ離れた位置に配置され、
下流側温度検知手段が検知する検知温度の中の最高温度または最低温度と、上流側温度検知手段が検知する検知温度の中の最低温度または最高温度との温度差に基づいて送風機の送風量が制御されることを特徴とする請求項3に記載の恒温装置。 - 上流側温度検知手段及び下流側温度検知手段のうち、複数設けられた温度検知手段はそれぞれ離れた位置に配置され、
上流側温度検知手段が複数設けられている場合は複数の上流側温度検知手段が検知する検知温度の平均値を上流側温度とし、上流側温度検知手段の数が単数である場合は当該一つの上流側温度検知手段が検知する検知温度を上流側温度とし、
下流側温度検知手段が複数設けられている場合は複数の下流側温度検知手段が検知する検知温度の平均値を下流側温度とし、下流側温度検知手段の数が単数である場合は当該一つの下流側温度検知手段が検知する検知温度を下流側温度とし、
上流側温度と下流側温度との間に所定の適正温度差が存在するように、送風機の送風量を増減させることを特徴とする請求項3に記載の恒温装置。 - 試料配置部は、試料載置棚を有し、
試料配置部を通過する空気の流れは、前記試料載置棚の存在によって大まかに複数の層に分かれ、
複数の層の上流側に前記上流側温度検知手段があり、
当該層の下流側に上流側温度検知手段と試料配置部を挟んで対向して下流側温度検知手段が設置され、
上流側温度検知手段が検知する上流側温度とこれに対応する下流側温度検知手段が検知する下流側温度の差の内で最大である温度差を基準温度差とし、この基準温度差が適正温度差となる様に送風機の送風量を増減させることを特徴とする請求項3に記載の恒温装置。 - 試料配置部内の温度は、上流側温度検知手段の検知温度に基づいて設定値に維持されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の恒温装置。
- 試料配置部内の温度は、下流側温度検知手段の検知温度に基づいて設定値に維持されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の恒温装置。
- 試料配置部内の温度は、上流側温度検知手段の検知温度と下流側温度検知手段の検知温度の平均に基づいて設定値に維持されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の恒温装置。
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