JP4805874B2 - 試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品その他の被試験物を所定の環境下に置いて試験を行う試験装置に関するものであり、特に被試験物の温度を昇降させて耐久性等を試験する温度サイクル試験装置として好適なものである。

電子部品や工業材料の耐久性を試験する試験装置として温度サイクル試験装置が知られている。
温度サイクル試験装置は、激しく温度変化する環境を人工的に作り、被試験物をこの環境下において熱ストレスを与え、被試験物の変化を観察するものである。
温度サイクル試験装置は、前記した様に高温の環境と低温の環境を作るものであるから低温を得るための冷凍機を備えている。通常の温度サイクル試験装置が搭載する冷凍機は、例えば特許文献１に開示された様な相変化する冷媒を使用したものである。
すなわち温度サイクル試験装置で採用される冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備え、冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で放熱して液化し、膨張弁から放出した後に蒸発器内で気化させて冷熱を得るものである。
特許文献１に開示された温度サイクル試験装置は、断熱材で覆われた試験槽を有し、この試験槽内の温度を冷凍機やヒータで調整するものである。すなわち特許文献１に開示された温度サイクル試験装置では、冷凍機等で温度調節した空気を試験槽内に通風し、試験槽内の環境温度を変化させる。

これに対して特許文献２には、スターリング冷凍機を採用した温度サイクル試験装置が開示されている。
特許文献２に開示された温度サイクル試験装置では、クランク−コネクティングロッド方式を採用したスターリング冷凍機が使用されている。

特開２００７−８１０２２号公報 特開２００２−１４７７６７号公報

ところで、近年、電子機器の小型化が著しい。そのため近年では、非常に小さな電子部品を被試験物として試験を行う必要がある。
ところが、例えば特許文献１に開示された様な試験槽内の温度を調節する形式の試験装置では、試験槽内に冷風や温風が通風されるため、試験槽内の空気が移動する。そのため被試験物たる電子部品が飛散したり、その衝撃で破損してしまうことがある。
また特許文献１に開示された試験装置は、通常の冷凍サイクルを採用した冷凍機を使用するため、振動が大きく、その振動によって電子部品が動く場合がある。
さらには特許文献１に開示された試験装置は、通常の冷凍サイクルを採用した冷凍機を使用するため、冷凍機の外形形状が大きいという不満がある。すなわち被試験物たる電子機器は、１ｍｍ四方以下という様な非常に小さいものである場合も少なくない。これに対して冷凍機は、前記した様に少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備える必要があり、小型化には限界がある。そのため被試験物の大きさに比べて試験装置があまりにも大きく、違和感をおぼえるものであった。

これに対して特許文献２に開示された温度サイクル試験装置は、スターリング冷凍機を採用しており、振動が少なく電子部品の温度サイクル試験を行うのに適している。また冷凍機の小型化も可能であるため、全体形状の小型化も可能である。
しかしながら、特許文献２に開示された温度サイクル試験装置は、被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際に、異音や振動が生じる場合があり、甚だしい場合には冷凍機が停止してしまって試験の続行が不能となる場合がある。

特許文献２に開示された温度サイクル試験装置は、クランク−コネクティングロッド方式を採用したスターリング冷凍機を採用しているが、フリーピストン形のスターリング冷凍機を使用しても同様の現象が起こる。すなわち本発明者らは、フリーピストン形のスターリング冷凍機を搭載した試験装置を試作して実験を行ったが同様の問題点があった。
フリーピストン形のスターリング冷凍機を搭載した温度サイクル試験装置においても、被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際に、異音や振動が生じる場合があり、甚だしい場合には冷凍機が停止してしまって試験の続行が不能となる場合があった。

異音や振動が生じる原因は不明であるが、過負荷又はディスプレーサの移動タイミングがずれるためであろうと予想される。
すなわちスターリング冷凍機は、冷熱発生部と高熱発生部に温度差を設けると、自身がエンジンとして動作する性質を持つ。そのため被試験物を高温状態から低温状態に変化させる際には、スターリング冷凍機自身がエンジンとして動作し得る状況にあり、ピストンがエンジンとして動作する方向と反対方向に強制的に動作させるために異音や振動が生じるのではないかと予想される。
またフリーピストン形のスターリング冷凍機を採用する場合には、パワーピストンとディスプレーサが適切な位相差を維持することができなくなり、異音や振動が生じるのではないかと予想される。

そこで本発明は、スターリング冷凍機を使用した試験装置を改良し、高温状態から低温状態に変化させる際に異音や振動が生じることのない試験装置の開発を課題とするものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダーを備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度が一定の温度以上となっている状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置である。

本発明の試験装置は、補助冷却装置を備え、この補助冷却装置で載置台又は前記膨張シリンダを冷却する。そのため膨張シリンダが冷まされ、スターリング冷凍機が正常に動作し得る状況となる。

また、請求項２に記載の発明は、被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダー及び放熱部を備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度と、スターリング冷凍機の放熱部の温度を比較し、載置台又は膨張シリンダーの温度が前記放熱部の温度よりも高くなっている状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置である。

請求項３に記載の発明は、被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダー及び放熱部を備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度と、スターリング冷凍機の放熱部の温度を比較し、両者の温度差が所定の条件を満足している状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置である。

請求項４に記載の発明は、補助冷却装置は送風機又はポンプを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の試験装置である。

請求項１〜３に記載の試験装置では、異音や振動が発生し得る状況の時のみに補助冷却装置を動作させることができる。

請求項５に記載の発明は、ヒータを備え、ヒータによって被試験物を加熱することができることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の試験装置である。

本発明の試験装置では、被試験物の加熱にヒータを使用する。そのためスターリング冷凍機に掛かる負担が軽減される。

すなわちスターリング冷凍機はモータの回転方向を逆転する等の方法によって昇温部位と温度低下部位とを入れ換えることができる。そのためスターリング冷凍機単独で被試験物の温度を高温から低温にいたるまで変化させることもできる。しかしながらスターリング冷凍機単独で被試験物の温度を高温から低温にいたるまで変化させると、スターリング冷凍機に掛かる負担が大きすぎ、至る所に不具合が生じる。例えばスターリング冷凍機のハウジングが高温に耐えられず、変形してしまうという様な不具合が生じる。
そこで本発明では、被試験物を昇温する際にはヒータを使用することとした。

本発明の試験装置では、補助冷却装置で載置台又は前記膨張シリンダを冷却するので、スターリング冷凍機を常に正常に動作させることができ、所望の試験を長時間に渡って続けることができる。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の温度サイクル試験装置の概念図である。図２は、図１の温度サイクル試験装置の試験槽の断面図である。図３は、載置台及び補助冷却装置の斜視図である。

本実施形態の温度サイクル試験装置１は、試験槽２とスターリング冷凍機３及び制御装置５によって構成されている。
試験槽２は、公知の恒温恒湿槽と同様に断熱性を有する壁面で囲まれた空間であり、その内部に載置台６、冷却チューブ（補助冷却装置）７及び加熱板８が設置されている。
載置台６は、熱伝導性に優れた素材によって作られたものであり、図３の様な円板状の載置部１０を備え、その背面側にシリンダー装入筒部１１が設けられている。
シリンダー装入筒部１１には、後記する様にスターリング冷凍機３の膨張シリンダー２６が挿入されている。
載置台６には冷却側温度センサー１２が設けられている。

冷却チューブ（補助冷却装置）７は、載置台６のシリンダー装入筒部１１の周囲を取り巻く位置に設けられている。また試験槽２の外部にポンプ９が設置されており、冷却チューブ７とポンプ９との間で循環流路が形成されている。
そしてポンプ９によって冷却チューブ７に冷却水が循環され、載置台６のシリンダー装入筒部１１を冷却することができる。

加熱板８は、図２の様に電気ヒータ１３が内蔵された板であり、図示しないクランプ装置を備え、被試験物４５を挟んで載置台６に押しつけられる。
加熱板８には加熱側温度センサー１６が設けられており、加熱板８の温度は温度センサー１６によって検知される。
他に被試験物の温度を検知するセンサー（図示せず）が設けられている。

スターリング冷凍機３は、フリーピストン形のスターリング冷凍機であり、シリンダー１８と、デイスプレーサ２０及びパワーピストン２１によって構成されている。
シリンダー１８は、熱伝導性に優れた素材によって作られたものであり、密閉状態であって内部にヘリウム等の液化しにくいガスが充填されている。
デイスプレーサ２０は、シリンダー１８内に摺動可能に挿入されている。デイスプレーサ２０は、内部に蓄冷器２３が内蔵されており、デイスプレーサ２０の前後は内部の蓄冷器２３を介して通気可能である。

パワーピストン２１は、その周囲に設けられた電磁石２２によって図面上下方向に移動する。すなわちパワーピストン２１はリニアモータであり、それ自体が軸方向に移動する。
本実施形態では、シリンダー１８の先端側が膨張シリンダー２６として機能し、シリンダー１８の基端側が放熱部２７として機能する。放熱部２７には放熱側温度センサー３０が設けられている。

スターリング冷凍機３の、シリンダー１８の先端部（膨張シリンダー２６）は、試験槽２内にあり、載置台６のシリンダー装入筒部１１に挿入されている。シリンダー１８の先端部（膨張シリンダー）の周壁は、シリンダー装入筒部１１の内壁に直接的に接している。ただし本発明はこの構成に限定されるものではなく、両者の間に熱伝導性に優れた部材が介在されていてもよい。

制御装置５は、図１の様に試験条件を設定する設定部を備えている。また前記した各温度センサーの信号は、制御装置５に入力される。すなわち加熱板８に設けられた加熱側温度センサー１６の信号は、信号Ｔ１として入力部１に入力され、被試験物４５の温度は信号Ｔ２として入力部２に入力され、冷却側温度センサー１２の温度は信号Ｔ３として入力部３に入力される。
また放熱側温度センサー３０の温度は信号Ｔ４として入力部４に入力される。
制御装置５は、駆動部を有し、駆動部の信号によって電気ヒータ１３とポンプ９が制御される。

さらに制御装置５の駆動部からの信号によって電磁石２２が駆動され、パワーピストン２１が軸方向に往復運動する。
その結果、膨張シリンダー２６に冷熱が発生する。
膨張シリンダー２６に冷熱が発生する原理を簡単に説明すると次の通りである。
図４は、スターリング冷凍機３が駆動する際におけるシリンダー１８内の様子を示す断面図である。

スターリング冷凍機３は、前記した様にディスプレーサ２０、パワーピストン２１、蓄冷器２３及びこれらを囲むシリンダー１８より構成されている。なお本実施形態では、蓄冷器２３はディスプレーサ２０の内部に収納された構造になっているが、圧縮空間３１と膨張空間３２を導通させる位置であればシリンダ−１８の外部に設置しても良い。
スターリング冷凍機３を起動すると制御装置５の信号によって電磁石２２が駆動され、パワーピストン２１が軸方向に往復運動する。またこれに連れてディスプレーサ２０もシリンダー１８を軸方向に往復運動する。
すなわち図４、ａの状態からスターリング冷凍機３を起動すると電磁石の作用によって、同図ｂの様にパワーピストン２１がシリンダー内で容積を縮める方向（図中上方）に移動し内部のガスを圧縮する。このとき発生する圧縮熱は水あるいは空気等の媒体を用いシリンダー１８の外部に排出される。したがって、圧縮は等温的に行なわれることになる。

続いて同図ｃの様にディスプレーサ２０のみが下方に移動し、ガスは蓄冷器２３を通り圧縮空間３１から膨張空間（膨張シリンダー側）３２に移動する。この工程は、等容行程である。

そして続いて同図ｄの様にディスプレーサ２０とパワーピストン２１の両者が下方に移動する。その結果、膨張シリンダー２６内のガスは膨張し、温度が低下することになる。熱力学的サイクル上はこの変化は等温変化であり一定の熱負荷を外部からかけることにより実現することができるが、これが冷却能力に相当する。

続いて同図ｅの様にディスプレーサ２０が上方に移動し、前記したｂ〜ｃの工程とは逆にガスは蓄冷器２３を通り、膨張空間３２から圧縮空間３１に移動する。このとき、未だ冷却能力を有するガスは、蓄冷器２３を冷却し圧縮空間３１に移動することになる。
なおこの行程は等容行程である。
このようなサイクルを繰り返すことにより膨張シリンダー２６の周囲が温度低下し、この冷熱によって載置台６が冷却される。

次に本実施形態の温度サイクル試験装置１の機能を電子部品を試験する際の手順に沿って説明する。図５は、本実施形態の温度サイクル試験装置の動作状況を示すタイミングチャートである。
本実施形態の温度サイクル試験装置で電子部品等の温度サイクル試験を行う場合は、その準備段階として、被試験物４５を載置台６上に乗せ、被試験物４５を載置台６と加熱板８の間で挟む。そして図示しないクランプ装置によって加熱板８を載置台６に固定する。なお被試験物４５は、載置台６及び加熱板８に直接接触させても良いが、図２の様に熱伝導性に優れたシート４４を両者の間に介在させることが推奨される。シート４４には、例えばカーボングラファイトシートが利用できる。

そして制御装置５の設定部に温度サイクル試験の試験条件を入力する。
試験条件は、例えば図５の「条件設定」の様に、常温状態に一定時間保ち、その後、時刻ａ〜ｂの間に温度を所定の低温まで低下させ、この状態をｂ〜ｃの間維持する。
続いて時刻ｃｄｅの間に、所定の高温となる様に昇温する。
さらにこの高温状態を時刻ｅ〜ｆの間維持させ、その後、ｆｇｈの時間を掛けて所定の低温まで温度降下させる。以後、ｂ〜ｈの温度サイクルを繰り返させる。

準備が完了すれば実験を開始する。
実験が開始され、時刻ａに至ると、冷凍機が駆動し、被試験物を温度低下させる。具体的にはスターリング冷凍機３を起動してパワーピストン２１を軸方向に往復運動させ、図４の工程ａ〜ｅを繰り返し、膨張シリンダー２６の温度を低下させて載置台６を冷却し、この冷熱によって載置台６上の被試験物４５を冷却する。
載置台６の温度は、冷却側温度センサー１２によって監視され、スターリング冷凍機３にフィードバックされる。

そして時間が経過して、時刻ｂに至り、載置台６の温度が所定の温度まで低下したら、この状態をｂ〜ｃの間維持する。この間、前記した様に冷却側温度センサー１２によって載置台６の温度が監視され、スターリング冷凍機３の運転状況を微調整する。

時刻ｃを経過し、被試験物４５を昇温すべき時刻になると、電気ヒータ１３に電力を供給する。このとき、スターリング冷凍機３は依然として運転を継続させる。
そして電気ヒータ１３によって載置台６の温度が上昇し、載置台６の温度が室温近傍になると共に時刻がｄに至ると、スターリング冷凍機３の運転を停止し、電気ヒータ１３だけに電力を供給する。
そして載置台６の温度が所定の高温となり、時刻ｅに至ると、載置台６の温度が所定の高温を維持する様に電気ヒータ１３を比例制御する。

そして高温状態を時刻ｅ〜ｆの間維持させた後、ｆ〜ｈまでの時間を掛けて所定の低温まで温度降下させるが、本実施形態では、この時にポンプ９を駆動して冷却チューブ７に冷却水を循環させる。すなわち載置台６が高温状態であって、載置台６の温度を低下すべくスターリング冷凍機３の運転を開始する際に、補助冷却装置（ポンプ９）７を起動し、スターリング冷凍機３の冷却能力を補助する。より端的には、補助冷却装置７によってスターリング冷凍機３の膨張シリンダ２６を冷却し、スターリング冷凍機３を正常に運転できる状態を維持する。

補助冷却装置７は、所定の条件を満足する状況となるまで駆動を続ける。本実施形態では、載置台６の温度が室温に近い状況まで下がり、且つ所定の時刻ｇに至ったことを条件として補助冷却装置７を停止する（ポンプ９を停止する）。もちろん載置台６の温度が低下したことだけを条件として補助冷却装置７を停止してもよく、時間経過だけを条件として補助冷却装置７を停止してもよい。

補助冷却装置７を停止した後もスターリング冷凍機３の運転を続け、載置台６の温度を所定の温度まで低下させる。
本実施形態では、補助冷却装置７によってスターリング冷凍機３の膨張シリンダ２６が冷却されるので、スターリング冷凍機３から異音が生じたり振動が発生することはない。

上記した実施形態において、補助冷却装置７の運転を開始するための条件は、載置台６が一定温度以上の高温状態であって、載置台６の温度を低下すべくスターリング冷凍機３の運転を開始することであるが、これに加えて、またはこの条件に代えて、載置台６側の温度と、スターリング冷凍機３の放熱側の温度を比較し、両者が一定の条件を満たした場合に補助冷却装置７の運転を開始してもよい。
すなわち本実施形態では、スターリング冷凍機３の放熱部２７に放熱側温度センサー３０が設けられており、放熱側の温度が制御装置５に入力されている。
ここで載置台６側の温度をＴｃとし、放熱側の温度をＴｈとした時、例えば載置台６側の温度Ｔｃが放熱側の温度Ｔｈよりも高くなった場合（Ｔｃ＞Ｔｈ）であって、載置台６の温度を低下させる必要がある場合に補助冷却装置７を運転する。あるいは両者の差が一定の範囲内である場合に補助冷却装置７を運転することも推奨される。
逆に補助冷却装置７の運転を停止する場合は、例えば載置台６側の温度Ｔｃが放熱側の温度をＴｈよりも低く（Ｔｃ＜Ｔｈ）、両者の差異が一定の温度（例えば３０度Ｃ以上））になった場合に補助冷却装置７の運転を停止する。

また上記した実施形態では、補助冷却装置７とスターリング冷凍機３を同時に起動したが、補助冷却装置７だけを先に起動し、載置台６の温度がある程度まで低下した後にスターリング冷凍機３を起動してもよい。

上記した実施形態では、補助冷却装置７として水冷方式を採用したが、送風機を採用した空冷方式の補助冷却装置を採用することもできる。例えば試験槽２の中に送風機を配置し、送風機の送風を載置台６にあてて冷却する。
また上記した実施形態では、補助冷却装置７たる冷却チューブを、載置台６に接触させることによって間接的にスターリング冷凍機３の膨張シリンダー２６を冷却したが、空冷または水冷によって膨張シリンダー２６を直接冷却してもよい。

本発明の実施形態の温度サイクル試験装置の概念図である。 図１の温度サイクル試験装置の試験槽の断面図である。 載置台及び補助冷却装置の斜視図である。 スターリング冷凍機３が駆動する際におけるシリンダー１８内の様子を示す断面図である。 本実施形態の温度サイクル試験装置の動作状況を示すタイミングチャートである。

１ 温度サイクル試験装置
２ 試験槽
３ スターリング冷凍機
６ 載置台
７ 冷却チューブ（補助冷却装置）
８ 加熱板
９ ポンプ
１１ シリンダー装入筒部
１２ 冷却側温度センサー
１３ 電気ヒータ
１６ 加熱側温度センサー
２６ 膨張シリンダー
２７ 放熱部
３０ 放熱側温度センサー

Claims (5)

1. 被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダーを備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度が一定の温度以上となっている状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置。
2. 被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダー及び放熱部を備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度と、スターリング冷凍機の放熱部の温度を比較し、載置台又は膨張シリンダーの温度が前記放熱部の温度よりも高くなっている状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置。
3. 被試験物の温度を昇降させて所定の試験を行う試験装置において、内部に充填された気体を膨張させて冷熱を得る膨張シリンダー及び放熱部を備えたスターリング冷凍機と、被試験物を載置する載置台と、補助冷却装置とを備え、載置台は前記膨張シリンダーと直接的或いは他の部材を介して接し、前記補助冷却装置は載置台又は前記膨張シリンダーを冷却することが可能であり、載置台又は膨張シリンダーの温度と、スターリング冷凍機の放熱部の温度を比較し、両者の温度差が所定の条件を満足している状況から載置台の温度を低下させる際に、補助冷却装置を動作させることを特徴とする試験装置。
4. 前記補助冷却装置は送風機又はポンプを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の試験装置。
5. ヒータを備え、ヒータによって被試験物を加熱することができることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の試験装置。

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