トップ :: B 処理操作 運輸 :: B01 物理的または化学的方法または装置一般

【発明の名称】 熱媒体供給装置及び温度調節機器
【発明者】 【氏名】中西 優貴

【氏名】倉良 博伸

【氏名】西川 太平

【要約】 【課題】製造された低温の気体を、低温状態を維持したままで恒温機器側に送りだすことができる熱媒体供給装置の開発することを目的とする。

【解決手段】往き側渡り配管7は、中心管50の周囲を外郭管51が取り囲み、さらに中心管50の中に挿入管52が挿入されたものである。中心管50と外郭管51との間の空隙が往き側流路73として機能する。挿入管52と中心管50との間の空隙が往き側補助流路72として機能する。往き側流路73に隣接する往き側補助流路72には冷却装置で作られた低温の冷媒が流通される。その結果、往き側流路73を流通した空気が冷却され、恒温装置へ送られる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱媒体を導入して特定の部位の温度を所定の温度に調節する温度調節機器に対し、少なくとも低温の熱媒体を供給する熱媒体供給装置において、1系統又は2系統以上の冷凍サイクルを備えた冷却装置と、低温の熱媒体を温度調節機器に供給する往き側流路とを備え、前記冷却装置は温度調節機器に供給する熱媒体を冷却する熱媒体温度調節用熱交換器を有し、当該熱媒体温度調節用熱交換器を通過した熱媒体が往き側流路に供給され、さらに往き側流路に隣接する往き側補助流路を備え、前記往き側補助流路に前記冷却装置内で冷凍サイクルを実現する低温の冷媒が流通されることを特徴とする熱媒体供給装置。
【請求項2】
熱媒体温度調節用熱交換器は、一次側に冷凍サイクルを実現する低温の冷媒が通過し、二次側を温度調節機器に供給される熱媒体が通過するものであり、前記熱媒体温度調節用熱交換器の一次側をバイパスするバイパス流路を備え、当該バイパス流路に往き側補助流路が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の熱媒体供給装置。
【請求項3】
熱媒体温度調節用熱交換器と往き側補助流路とが直列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の熱媒体供給装置。
【請求項4】
温度調節機器から熱媒体を戻す戻り側流路と当該戻り側流路に隣接する戻り側補助流路を備え、外部から導入された熱媒体又は温度調節機器から戻された熱媒体が前記戻り側補助流路を通過した後に熱媒体温度調節用熱交換器に流れることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置。
【請求項5】
戻り側流路から戻された熱媒体と、外部から導入された熱媒体との間で熱交換する冷熱回収用熱交換器を有することを特徴とする請求項4に記載の熱媒体供給装置。
【請求項6】
冷却装置は、冷媒を圧縮する圧縮機を有し、圧縮機を出た冷媒と熱交換する冷媒冷却用熱交換器を備え、前記冷媒冷却用熱交換器においては戻り側流路から戻された熱媒体と圧縮機を出た冷媒とが熱交換されることを特徴とする請求項4又は5に記載の熱媒体供給装置。
【請求項7】
往き側流路及び往き側補助流路の組み合わせ、あるいは戻り側流路及び戻り側補助流路の組み合わせのいずれかは、中心管と当該中心管の一部又は全部を包囲する外郭管を有する多重構造物によって構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置。
【請求項8】
中心管は、内部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する挿入管を備え、当該挿入管は中心管の奥部に開口することを特徴とする請求項7に記載の熱媒体供給装置。
【請求項9】
挿入管は中心管の一端側から中心管に挿入されており、中心管の前記端部と同一側の端部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する開口が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の熱媒体供給装置。
【請求項10】
熱媒体は気体であり、温度調節機器はキャビティ内に気体を導入して特定の温度調節面の温度を所定の温度にする恒温機器であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置。
【請求項11】
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置によって低温の熱媒体が供給されることを特徴とする温度調節機器。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体ウエハの性能試験等に使用される恒温機器等の温度調節機器に関するものである。また本発明は、前記した恒温機器等の温度調節機器に対して熱媒体を供給する熱媒体供給装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
携帯電話やパソコン等に代表される電子機器が広く普及している。これらの電子機器は、近年、多様な用途や多様な環境で使用される。そのため電子機器そのものや、これらの部品たる集積回路等が環境から受ける影響を試験する必要がある。
これらの電子部品等を高温環境や低温環境に晒す試験装置としては、特許文献1や特許文献2に開示された構造のものが知られている。
特許文献1,2に開示された試験装置は、サーマルプレートや高低温チャックと称される恒温機器(温度調節機器)を備え、当該恒温機器に半導体ウエハを載置または固定して試験を行うものである。
サーマルプレートや高低温チャックと称される恒温機器は、被試験物を載置又は固定する物品載置面を持つ。多くの場合、恒温機器の一部には電気ヒータが取り付けられている。また恒温機器の内部にはキャビティが形成されている。当該キャビティには所定の温度の流体(熱媒体)が流される。
そして電気ヒータの制御と、キャビティ内へ流体を流す動作を併用し、物品載置面の温度を所望の温度に維持する。例えば物品載置面の温度を低温にしたい場合は、キャビティに低温の流体を流す。
【特許文献1】特開2005−45039号公報
【特許文献2】特開平10−288646号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで近年、より過酷な状況で試験を行いたいという要求や、より大面積の物品載置面を備えた試験装置を使用したいという要求がある。
そのためキャビティに流す流体の温度調節を行う装置がより大型化する傾向にある。そこで本発明者らは、キャビティに流す流体の温度調節を行う装置が恒温機器から独立化した試験装置を試作した。
即ち冷却装置を備え、供給された空気を冷却して排出する熱媒体供給装置と、サーマルプレートを備えた試験部を別々の筐体に組み込み、両者の間をチューブ等の管路で配管接続した。具体的には、熱媒体供給装置と試験部の間を往き側配管と戻り側配管で接続した。
そして熱媒体供給装置で低温の空気を製造し、往き側配管(往き側流路)を経由して試験部の恒温機器に低温の空気を供給し、恒温機器から排出された空気を戻り側配管(戻り側流路)で熱媒体供給装置側に回収した。
【0004】
試作した熱媒体供給装置は旧来のものに比べて大容量の冷却能力を持ち、試験部の恒温機器は旧来の物に比べてより低温化することができた。
しかしながら、試作した装置は、熱媒体供給装置から試験部に至る間の熱エネルギーのロスが無視できないものであった。
即ち試作した装置は、熱媒体供給装置が恒温機器とは別体であるから、往き側配管を装置の外に渡して恒温機器に冷気を供給しなければならない。しかしながら、試験に供される冷気は、マイナス90℃というような極低温であり、外気の影響を受けて昇温しやすい。
もちろん往き側配管には断熱材が取り付けられるが、往き側配管を流れる冷気の温度と外気の温度が著しく相違するため、冷気が昇温してしまうことは免れない。
そのため試作された試験装置は、恒温機器の温度制御幅が制約を受けるという不満があった。
さらに、熱エネルギーのロスを補償するために、冷凍装置を小型化することが難しくなり、消費電力も大きくなってしまうという問題もあった。
【0005】
そこで本発明は上記した問題点の解消を課題とするものであり、製造された低温の熱媒体を、低温状態を維持したままで恒温機器側に送りだすことができる熱媒体供給装置を開発することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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、熱媒体を導入して特定の部位の温度を所定の温度に調節する温度調節機器に対し、少なくとも低温の熱媒体を供給する熱媒体供給装置において、1系統又は2系統以上の冷凍サイクルを備えた冷却装置と、低温の熱媒体を温度調節機器に供給する往き側流路とを備え、前記冷却装置は温度調節機器に供給する熱媒体を冷却する熱媒体温度調節用熱交換器を有し、当該熱媒体温度調節用熱交換器を通過した熱媒体が往き側流路に供給され、さらに往き側流路に隣接する往き側補助流路を備え、前記往き側補助流路に前記冷却装置内で冷凍サイクルを実現する低温の冷媒が流通されることを特徴とする熱媒体供給装置である。
【0007】
本発明の熱媒体供給装置では、往き側流路に隣接する往き側補助流路を備える。そして往き側補助流路に冷却装置で作られた低温の冷媒が流通される。そのため往き側流路を流れる低温の熱媒体(例えば気体)は、往き側補助流路を流れる冷媒によって保冷される。
従って冷却装置で作られた低温の熱媒体は、低温状態を維持したままで温度調節機器に供給される。
【0008】
請求項2に記載の発明は、熱媒体温度調節用熱交換器は、一次側に冷凍サイクルを実現する低温の冷媒が通過し、二次側を温度調節機器に供給される熱媒体が通過するものであり、前記熱媒体温度調節用熱交換器の一次側をバイパスするバイパス流路を備え、当該バイパス流路に往き側補助流路が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の熱媒体供給装置である。
【0009】
本発明の熱媒体供給装置では、熱媒体温度調節用熱交換器をバイパスするバイパス流路に往き側補助流路が接続されている。そのため往き側補助流路に流れる冷媒の温度は、熱媒体温度調節用熱交換器を流れる冷媒の温度と略等しい。従って往き側流路を流れる熱媒体は、熱媒体温度調節用熱交換器を出た温度を維持して温度調節機器に供給される。
また本発明の熱媒体供給装置では、バイパス流路に往き側補助流路を接続しているので、往き側補助流路を流れる冷媒の流量を調節しやすい。
【0010】
また請求項3に記載の発明は、熱媒体温度調節用熱交換器と往き側補助流路とが直列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の熱媒体供給装置である。
【0011】
請求項4に記載の発明は、温度調節機器から熱媒体を戻す戻り側流路と当該戻り側流路に隣接する戻り側補助流路を備え、外部から導入された熱媒体又は温度調節機器から戻された熱媒体が前記戻り側補助流路を通過した後に熱媒体温度調節用熱交換器に流れることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置である。
【0012】
本発明の熱媒体供給装置は、温度調節機器から排出された熱媒体から冷熱を回収するものである。
即ち低温の熱媒体を温度調節機器に供給するケースでは、多くの場合、温度調節機器から排出される熱媒体は、常温よりも低温である。本発明は、温度調節機器から排出される熱媒体から冷熱を回収し、装置全体の熱効率を向上させんとするものである。
本発明の熱媒体供給装置では、外部から導入された熱媒体は戻り側補助流路を通過した後に熱媒体温度調節用熱交換器に流れる。ここで戻り側補助流路は戻り側流路に隣接するものであり、戻り側流路には温度調節機器から排出された低温の熱媒体が流れる。そのため戻り側補助流路を流れる熱媒体は、戻り側流路を流れる熱媒体によって冷却される。戻り側流路を出た熱媒体は、さらに熱媒体温度調節用熱交換器によって冷却される。
【0013】
請求項5に記載の発明は、戻り側流路から戻された熱媒体と、外部から導入された熱媒体との間で熱交換する冷熱回収用熱交換器を有することを特徴とする請求項4に記載の熱媒体供給装置である。
【0014】
本発明の熱媒体供給装置では、外部から導入された熱媒体との間で熱交換する冷熱回収用熱交換器を有するので、温度調節機器から排出される熱媒体から冷熱が回収され、装置全体の熱効率が高い。
【0015】
請求項6に記載の発明は、冷却装置は、冷媒を圧縮する圧縮機を有し、圧縮機を出た冷媒と熱交換する冷媒冷却用熱交換器を備え、前記冷媒冷却用熱交換器においては戻り側流路から戻された熱媒体と圧縮機を出た冷媒とが熱交換されることを特徴とする請求項4又は5に記載の熱媒体供給装置である。
【0016】
本発明の熱媒体供給装置では、冷媒冷却用熱交換器においては戻り側流路から戻された熱媒体と圧縮機を出た冷媒とが熱交換される。そのため本発明の熱媒体供給装置では、戻り側流路から戻された低温の熱媒体によって冷媒が凝縮される。この様に本発明の熱媒体供給装置は、温度調節機器から排出される熱媒体から冷熱が回収され、装置全体の熱効率が高い。
【0017】
請求項7に記載の発明は、往き側流路及び往き側補助流路の組み合わせ、あるいは戻り側流路及び戻り側補助流路の組み合わせのいずれかは、中心管と当該中心管の一部又は全部を包囲する外郭管を有する多重構造物によって構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置である。
【0018】
本発明の熱媒体供給装置では、例えば往き側流路及び往き側補助流路の組み合わせが中心管とこれを包囲する外郭管を有する多重構造物によって構成されている。
そのため往き側流路と往き側補助流路との接触面積が大きく、両者の間の熱交換効率が高い。
【0019】
請求項8に記載の発明は、中心管は、内部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する挿入管を備え、当該挿入管は中心管の奥部に開口することを特徴とする請求項7に記載の熱媒体供給装置である。
【0020】
本発明の熱媒体供給装置では、中心管が内部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する挿入管を備え、当該挿入管は中心管の奥部に開口する。そのため挿入管から導入される冷媒等は、挿入管を通って中心管の奥部に至り、奥部で放出されて往復する。そのため熱媒体供給装置で採用する多重構造物では、冷媒等の滞留時間が長く、冷媒と熱媒体との熱交換効率が高い。
【0021】
請求項9に記載の発明は、挿入管は中心管の一端側から中心管に挿入されており、中心管の前記端部と同一側の端部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する開口が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の熱媒体供給装置である。
【0022】
本発明の熱媒体供給装置が採用する多重構造物においては、挿入管が中心管の一端側から中心管に挿入されており、中心管の前記端部と同一側の端部に冷媒又は熱媒体を導入又は排出する開口が設けられている。そのため、多重構造物における冷媒等の往復流路が長い。その結果、冷媒等の滞留時間がより長くなり、冷媒と熱媒体との熱交換効率がより高い。
【0023】
熱媒体は気体であることが望ましい。また温度調節機器の代表的な例として、キャビティ内に気体を導入して特定の温度調節面の温度を所定の温度にする恒温機器が挙げられる(請求項10)。
【0024】
請求項11に記載の発明は、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の熱媒体供給装置によって低温の熱媒体が供給されることを特徴とする温度調節機器である。
【0025】
本発明の温度調節機器においては、より低温の熱媒体が供給される。そのため制御可能な温度幅が広い。
【発明の効果】
【0026】
本発明の熱媒体供給装置によると、より低温の熱媒体を恒温機器等の温度調節機器に供給することができる。そのため恒温機器等の温度制御幅を向上させることができる効果がある。
また本発明の温度調節機器は、制御可能な温度幅の下限が低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図1は、熱媒体供給装置と恒温機器を有する試験装置の一例を示す斜視図である。図2は、図1の試験装置の配管系統図である。
【0028】
図1に示す試験装置1は、半導体ウエハを高温環境に置いたり、低温環境に置くことができるものである。
【0029】
図1に示すように、試験装置1は、大きく二つの装置に分割されている。即ち試験装置1は、サーマルプレート(温度調節機器、恒温機器)2が内蔵された試験部3と、熱媒体供給装置5に分かれており、両者の間が往き側渡り配管7と戻り側渡り配管8とによって配管結合されている。試験部3はウエハプローバーに属するものである。
図2は、前記した様に試験装置の配管系統図であり、枠A内が試験部3内の配管系統であり、枠B内は熱媒体供給装置5内の配管系統である。また図2において、枠Aと枠Bを結ぶ二つのラインが往き側渡り配管7と戻り側渡り配管8を表している。
【0030】
サーマルプレート(恒温機器)2は、高低温チャックとも称される部材であり、全体形状が円柱形をしている。そしてその頂面が被試験物を載置する物品載置面10であり、物品載置面10が所望の温度に調節される。即ちサーマルプレート(恒温機器)2には図示しない電気ヒータが取り付けられており、さらに内部にキャビティ11が設けられている。そして電気ヒータを制御すると共にキャビティ11内に冷却された空気を循環させて、物品載置面10を温度調節する。
またサーマルプレート(恒温機器)2には図示しない真空配管が施されており、真空力によって被試験物を物品載置面10に保持する機能を備えている。
【0031】
サーマルプレート(恒温機器)2は、図1の様に熱媒体供給装置5から独立した筐体12に収納されている。
なおサーマルプレート(恒温機器)2はX−Yテーブル15に載置されており、図示しないモータによってX−Yに移動可能である。
試験部3の筐体12内には、配管16,17があり、配管16,17によってキャビティ11と筐体12外が連通している。
また試験部3の筐体12内には、空気導入路の一部が設けられている。即ち図2の枠Aの下部に図示されている様に、筐体12には空気導入口18が設けられおり、空気導入口18の先端側は分岐され、その一方が電磁弁19を介して後記する戻り側渡り配管8の空気導入口78に接続されている。
また空気導入口18の先端側であって他方に分岐された部位は、電磁弁13を介して大気中に開放されている。
【0032】
なお前記した筐体12の空気導入口18には、図示しない圧縮機から乾燥空気が供給される。即ち空気導入口18には、減圧弁を介して乾燥空気源29が配管接続されている。
【0033】
熱媒体供給装置5は、空気を冷却する装置であり、内部に冷却装置が内蔵されている。冷却装置は、2系統の冷凍サイクルを有するものである。
即ち熱媒体供給装置5は第一段側圧縮機20、第一段側凝縮器21、流量調節弁22、第一段側膨張弁23及び冷媒冷却用熱交換器25の一次側によって構成される一段目の冷凍サイクルと、第二段側圧縮機30、第二段側凝縮器31、冷媒冷却用熱交換器25の二次側、第二段側膨張弁33及び熱媒体温度調節用熱交換器35によって構成される二段目の冷凍サイクルを備えている。
【0034】
二つの冷凍サイクルには例えば代替フロンの様な相変化し、冷凍サイクルを実現する冷媒が流通する。
即ち第一冷凍サイクルにおいては、第一段側圧縮機20で冷媒が圧縮され、第一段側凝縮器21では図示しないファンで冷却されて冷媒が凝縮する。そして冷媒は第一段側膨張弁23を通過し、冷媒冷却用熱交換器25の一次側内で気化して熱を奪う。気化した冷媒は、第一段側圧縮機20に戻る。
【0035】
一方、第二冷凍サイクルにおいては、第二段側圧縮機30で冷媒が圧縮され、第二段側凝縮器31ではファンで冷却されて冷媒の温度が低下する。そして冷媒は、前記した冷媒冷却用熱交換器25の二次側に入り、前記した第一冷凍サイクルの作用によって急激に冷却されて液化する。第二冷凍サイクルを流れる冷媒は第二段側膨張弁33を通過し、熱媒体温度調節用熱交換器35の一次側で気化して熱を奪う。気化した冷媒は、第二段側圧縮機30に戻る。
【0036】
また本実施形態では、熱媒体供給装置5内に、補助の冷媒冷却用熱交換器41と冷熱回収用熱交換器43が設けられている。補助の冷媒冷却用熱交換器41の二次側流路は、第一段側凝縮器21の流路の中間部と直列に接続されている。
【0037】
次に往き側渡り配管7について説明する。
図3は、図2の配管系統図の往き側渡り配管部分の詳細図である。図4は、図1の試験装置で採用する往き側渡り配管の断面図である。
往き側渡り配管7は、図3に示すような多重構造を有する。即ち往き側渡り配管7は、中心管50と外郭管51及び挿入管52を備える三重構造物である。
往き側渡り配管7は、中心管50の周囲を外郭管51が取り囲み、さらに中心管50の中に挿入管52が挿入されたものである。
【0038】
中心管50は、後端部を残してその大部分が外郭管51の中に埋没している。中心管50の外郭管51からはみ出したはみ出し部分53には、冷媒排出口55が設けられている。中心管50の先端部は閉塞している。
中心管50の外径は、外郭管51の内径よりも小さく、両者の間に環状の空隙がある。本実施形態では、この空隙が、往き側流路73として機能する。
【0039】
挿入管52は、前記したはみ出し部分53から中心管50内に挿入され、その先端は中心管50の最奥部に至って開口している。挿入管52の外径は中心管50の内径よりも小さく、両者の間には空隙がある。本実施形態では、空隙が往き側補助流路72として機能する。すなわち、往き側補助流路72は往き側流路73に隣接しており、かつ熱的に接触している。
また外郭管51の基端部には空気導入口56が開口し、先端部には空気排出口57が開口している。
【0040】
往き側渡り配管7の実際の構造は、図4の通りであり、外郭管51は、レジューサ58、ティ59、フレキシブルチューブ60、短管61、レジューサ62が順次接続され、両端が細く、中央部が太い形状であり、かつ曲げることができる構造である。
【0041】
中心管50は、短管64、ティ65、短管66、及び先端が閉塞した樹脂チューブ67が順次接続されたものであり、その外径は、外郭管51の中心部分の内径よりも小さく、両者の隙間によって往き側流路73が形成される。
【0042】
中心管50の短管66の中央部分から先端側は、外郭管51の中に挿入されている。そして短管66の中央部分と外郭管51のレジューサ58との間は密閉されている。
【0043】
挿入管52は短管70及び可撓性のある細管71が順次接続されたものである。そして挿入管52の短管70の部分は中心管50の短管66部分に至り、細管71は中心管50の先端近傍にまで至っている。
挿入管52の外径はいずれの部分についても中心管50の内径よりも小さく、両者の間には空隙があり、この空隙が往き側補助流路72として機能する。
ただし挿入管52と中心管50の基端たる短管64との間は溶接されていて気密性が保たれている。
なお往き側渡り配管7には断熱材(図示せず)が巻かれている。
【0044】
次に戻り側渡り配管8について説明する。図5は、図1の試験装置で採用する戻り側渡り配管の断面図である。
図5に示す様に、戻り側渡り配管8は二重構造を有し、中心管75と当該中心管75を包囲する外郭管76によって構成されている。外郭管76は、ティ80、フレキシブルチューブ81、ティ82が順次接続されたものである。外郭管76の両端は閉塞されている。一方、中心管75は、直管83、フレキシブルチューブ85、直管86が順次接続されたものである。中心管75及び外郭管76は共に可撓性を有している。
中心管75の外径は、外郭管76の内径よりも小さく、両者の間には空隙がある。本実施例では、この空隙が戻り側補助流路77として機能する。一方、中心管75は戻り側流路として機能する。
また外郭管76の両端近傍の側面には空気導入口78と空気排出口79が設けられている。
【0045】
次に、試験部3と、熱媒体供給装置5に跨がる配管について説明する。
前記した様に、試験部3と、熱媒体供給装置5とは往き側渡り配管7と戻り側渡り配管8とによって配管結合されている。即ち往き側渡り配管7と戻り側渡り配管8の一端は、いずれも試験部3の筐体12内にあり、他端はいずれも熱媒体供給装置5の筐体内にある。
試験部3と熱媒体供給装置5に跨がる配管系統を空気の流れに沿って説明すると次の通りである。
即ち試験部3の筐体12内には、前記した様に空気導入路の一部が設けられており、空気導入口18の先端側は分岐されて、電磁弁19が取り付けられている。そして電磁弁19の下流側が戻り側渡り配管8の空気導入口78に接続されている。即ち電磁弁19の下流側が戻り側渡り配管8の戻り側補助流路77に接続されている。
【0046】
また戻り側渡り配管8の空気排出口79は、冷熱回収用熱交換器43の二次側入口に連通している。冷熱回収用熱交換器43の二次側出口は、熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側入口に入り、熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側出口は、往き側渡り配管7の空気導入口56に接続されている。即ち熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側出口は、往き側流路73に接続されている。
往き側渡り配管7の空気排出口57は、試験部3の筐体12内の配管16によってサーマルプレート2のキャビティ11の空気導入口に接続されている。
またサーマルプレート2の空気排出口は、配管17を介して戻り側渡り配管8の中心管75の一端に接続されている。即ちサーマルプレート2の空気排出口は、戻り側流路に接続されている。
戻り側渡り配管8の中心管75の他端は、冷熱回収用熱交換器43の一次側入口に連通している。冷熱回収用熱交換器43の一次側出口は、さらに補助の冷媒冷却用熱交換器41の一次側流路入り口に接続されている。補助の冷媒冷却用熱交換器41の一次側流路出口は、大気中に開放されている。
【0047】
また二次側冷凍サイクルの一部が分岐されて、往き側渡り配管7の冷媒入口及び冷媒出口(冷媒排出口55)に接続されている。
即ち二次側冷凍サイクルには、熱媒体温度調節用熱交換器35をバイパスするバイパス流路36が設けられ、バイバス流路36に往き側渡り配管7の中心管50が接続されている。
より具体的には、二次側冷凍サイクル中の二次側膨張弁33と、熱媒体温度調節用熱交換器35との間が分岐されて往き側渡り配管7の冷媒入口に接続されている。そして、往き側渡り配管7の冷媒出口(冷媒排出口55)は、二次側冷凍サイクル中の熱媒体温度調節用熱交換器35と、第二段側圧縮機30との間に接続されている。従って往き側渡り配管7の中心管50は、熱媒体温度調節用熱交換器35と並列であり、往き側渡り配管7の中心管50には、熱媒体温度調節用熱交換器35と同じ温度の冷媒が通過する。
【0048】
次に本実施形態における試験装置1の作用について説明する。
本実施形態における試験装置1はサーマルプレート(恒温機器)2の物品載置面10をマイナス65℃程度の低温から200℃以上の高温まで変化させることができる。試験装置1は、物品載置面10を低温に温調する場合に特有の機能を発揮する。
即ち物品載置面10を低温に温調する場合には、一次側冷凍サイクルの第一段側圧縮機20と、二次側冷凍サイクルの第二段側圧縮機30とを運転すると共に、乾燥空気源29から乾燥空気を導入する。
一次側冷凍サイクルの第一段側圧縮機20と、二次側冷凍サイクルの第二段側圧縮機30とを運転すると、各冷凍サイクルが機能して、二次側冷凍サイクルの熱媒体温度調節用熱交換器35の一次側に低温の冷媒が通過し、熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側が冷却される。
また熱媒体温度調節用熱交換器35をバイパスするバイパス流路36に冷媒が流れ、往き側補助流路72(往き側渡り配管7の中心管50と挿入管52との間)に冷媒が流通する。より具体的に説明すると、冷媒は、挿入管52の端部から中心管50内に導入される。挿入管52は中心管50の奥側で開口しているから、冷媒は、挿入管52を通過して中心管50の奥側に至り、奥側の位置で開放される。
ここで中心管50の先端側は閉塞されており、且つ挿入管52と中心管50との間には空隙(往き側補助流路72)があるから、冷媒は、往き側補助流路72を流れて基端側に戻る。即ち冷媒は、中心管50の中を往復して中心管50の基端側に戻り、冷媒排出口55から排出される。
【0049】
空気の流れは、前記した通りであり、乾燥空気源29から試験部3内に導入された乾燥空気は、電磁弁19を経て戻り側渡り配管8の空気導入口78に入り、戻り側渡り配管8の外郭管76と中心管75の間に形成された空隙(戻り側補助流路77)を流れる。そして戻り側渡り配管8の空隙(戻り側補助流路77)を通過した空気は、冷熱回収用熱交換器43の二次側を通過し、熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側を流れる。さらに熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側を通過した空気は、往き側渡り配管7の空気導入口56に入り、往き側渡り配管7の外郭管51と中心管50との間に形成された空隙(往き側流路73)を流れ、試験部3内に至る。そして配管16を経てサーマルプレート2のキャビティ11に入り、さらにキャビティ11を出た空気は、配管17を介して戻り側渡り配管8の中心管(戻り側流路)75を通過する。戻り側渡り配管8の中心管(戻り側流路)75を通過した空気は、冷熱回収用熱交換器43の一次側を流れ、さらに補助の冷媒冷却用熱交換器41の一次側を流れ、大気中に開放される。
【0050】
次に、前記した一連の空気の流れに際し、各部位を通過する空気の温度について検証する。
即ち乾燥空気源29から供給される乾燥空気は、常温である。この空気は、電磁弁19を経て戻り側渡り配管8の外郭管76と中心管75との間に形成された空隙(戻り側補助流路77)を流れる(以下、「往き側空気」と称する。)が、この際に、戻り側渡り配管8の中心管(戻り側流路)75を流れる排気(以下、「戻り側空気」と称する。)によって冷却される。
即ち前記した様に、戻り側渡り配管8の中心管75には、サーマルプレート2のキャビティ11から排出された戻り側空気が流れているが、戻り側空気の温度は常温よりも低く、往き側空気の温度よりも低い。
そのため外郭管76と中心管75との間(戻り側補助流路77)を流れる往き側空気は、中心管75の壁面を介して熱を奪われ、温度が低下する。
【0051】
また、戻り側渡り配管8の空隙(戻り側補助流路77)を通過した往き側空気は、冷熱回収用熱交換器43の二次側を通過するが、戻り側渡り配管8の空隙を通過した往き側空気は、冷熱回収用熱交換器43内においても戻り側空気と熱交換して冷却される。
即ち、冷熱回収用熱交換器43の一次側には戻り側空気が流れており、戻り側空気は往き側空気よりも低温であるから、往き側空気は冷却される。
【0052】
冷熱回収用熱交換器43を通過した往き側空気は、熱媒体温度調節用熱交換器35に入り、熱媒体温度調節用熱交換器35によって強烈に冷却される。即ち、往き側空気は熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側を流れるが、熱媒体温度調節用熱交換器35には冷却装置によって冷却された冷媒が通過する。そのため往き側空気は、熱媒体温度調節用熱交換器35を通過する際に極めて低温となる。
【0053】
熱媒体温度調節用熱交換器35の二次側を通過した空気は、往き側渡り配管7の空気導入口56に入り、往き側渡り配管7の外郭管51と中心管50との間に形成された空隙(往き側流路73)を流れて試験部3内に至るが、この間、往き側渡り配管7内の往き側流路73を通過する空気は、冷媒によって保冷される。
即ち往き側空気は、往き側渡り配管7の外郭管51と中心管50との間に形成された空隙(往き側流路73)を流れるが、往き側流路73と隣接して中心管50によって構成される流路(往き側補助流路72)があり、往き側補助流路72に冷媒が流れる。往き側補助流路72は往き側流路73に隣接し、かつ熱的に接触している。そのため往き側空気は、往き側渡り配管7を通過する際にも冷媒で冷却され続け、昇温が抑制される。
加えて、中心管50を流れる冷媒の温度は、前記した様に、熱媒体温度調節用熱交換器35を通過する冷媒の温度と同一であるから、往き側空気の温度変化は少ない。
【0054】
そして往き側空気は、サーマルプレート2のキャビティ11に入り、サーマルプレート2の表面を冷却し、自らは昇温する。しかしながら、キャビティ11から排出される空気は、依然として常温よりも低い。
【0055】
さらにキャビティを出た空気は、配管17を介して戻り側渡り配管8の中心管(戻り側流路)75を通過し、前記した様に往き側空気に冷熱を与えて自らは昇温する。
さらに戻り側渡り配管8の中心管(戻り側流路)75を通過した空気は、冷熱回収用熱交換器43の一次側を流れて往き側空気に冷熱を与えて自らは昇温する。
さらに戻り側空気は、補助の冷媒冷却用熱交換器41の一次側を流れ、一次側冷凍サイクルにおける冷媒の凝縮に寄与する。
この様に本実施形態では、3回に渡って冷熱の回収が行われるので、熱効率が高い。また最終的に排出される排気は、室温に近い温度となるので、室内環境を変化させにくい。即ち旧来の試験装置であれば、サーマルプレートのキャビティから排出された空気をそのまま大気に開放していたので、排気口に結露が生じる場合もあったが、本実施形態によると、排気の温度が室温に近いので、結露が生じることはない。
【0056】
以上説明した実施形態では、往き側渡り配管7の中心管50に冷媒を流し、周囲の空隙(往き側流路73)に往き側空気を通過させた。
この理由は、冷媒の温度が往き側空気のそれよりも低いためであり、大気への冷熱の放散を抑制する効果がある。また中心管50内では冷媒が往復するので、冷媒の滞留時間が長く、往き側空気との熱交換効率が高いためである。
さらに中心管50側は、前記した様に内部で流路が往復するので、内部の圧力損失が大きい。これに対して中心管50の周囲に形成される空隙(往き側流路73)は、直線状の流路であるから圧力損失が小さい。そこで本実施形態では、往き側空気の圧力損失を低下させるために、周囲の空隙に往き側空気を通過させることとした。
しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、往き側空気を中心管50に流し、その周囲に形成される流路に冷媒を流してもよい。
【0057】
戻り側配管に関しても同様であり、本実施形態では、中心管75に戻り側空気を流通させ、その周囲に往き側空気を通過させたが、逆に中心管75に往き側空気を通過させ、その周囲に戻り側空気を通過させてもよい。
なお、戻り側渡り配管8において、中心管75側に戻り側空気を通過させ、その周囲に往き側空気を通過させた理由は、往き側渡り配管7の場合と同様であり、往き側空気の温度が戻り側よりも高いためである。
【0058】
また本実施形態では、往き側渡り配管7に図3,4に示す様な往復流路を有する構造のものを採用し、戻り側渡り配管8に図5に示す直線流路だけを有する構造のものを採用したが、双方とも図3,4又は図5に示す構造のものを採用してよく、また往き側渡り配管7に図5に示す構造のものを採用し、戻り側渡り配管8に図3,4に示す構造のものを採用してもよい。戻り側渡り配管8に図3,4に示す構造のものを採用する場合には、例えば、キャビティ部と、当該キャビティ部の一部又は全部を包囲する外郭管を有する多重構造物によって構成する。そして、当該キャビティ部の内部に冷媒又は気体を導入又は排出する挿入管を備え、かつ当該挿入管がキャビティ部の奥部に開口する構成とする。
【0059】
また上記した実施形態では、往き側渡り配管7及び戻り側渡り配管8は、いずれも内外二重構造の配管であり、中心側の流路と周辺側の流路が隣接するものを例示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、左右に隣接する流路をもって往き側渡り配管あるいは戻り側渡り配管を構成することもできる。図6(a)は往き側渡り配管の変形例を示す断面斜視図、図6(b)は戻り側渡り配管の変形例を示す断面斜視図である。図6(a)に示す往き側渡り配管91では、往き側流路92と往き側補助流路93とが左右に隣接している。また図6(b)に示す戻り側渡り配管96では、戻り側流路97と戻り側補助流路98とが左右に隣接している。
【0060】
以上説明した実施形態では、熱媒体温度調節用熱交換器35をバイパスするバイパス流路36を設け、バイバス流路36に往き側渡り配管7の中心管50を接続した。しかし、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば図7に示す様な構成でもよい。
図7は、本発明の第二の実施形態に係る試験装置の配管系統図である。図7の配管系統では、往き側渡り配管7の中心管50と熱媒体温度調節用熱交換器35を直列に接続している。
なお図7の構成では、第二段側膨張弁33の下流側に往き側渡り配管7の中心管を接続し、その下流側に熱媒体温度調節用熱交換器35を接続したが、熱媒体温度調節用熱交換器35を先に接続してもよい。
さらに第二段側凝縮器31と、第二段側膨張弁33の間を分岐して往き側渡り配管7の中心管50に接続してもよい。この構成を採用する場合は、中心管50内の挿入管52が膨張手段(キャピラリーチューブ)として機能する。
また本実施形態では、冷却装置は、2系統の冷凍サイクルを構成しており、二段目の冷凍サイクルによって作られた低温冷媒を往き側渡り配管7に導入したが、一段目の冷凍サイクルによって作られた低温冷媒を往き側渡り配管7に導入してもよい。ただしこの場合は、冷媒の温度が第一実施形態の場合よりも高いので、外側の流路に冷媒を流すことが望ましい。
【0061】
上記した各実施形態では、サーマルプレート2のキャビティ11に温度調節された空気を導入した。即ち上記した各実施形態では、熱媒体として空気を利用した。しかし空気に代わって窒素等の気体を熱媒体としてもよい。またさらに液体の熱媒体を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】熱媒体供給装置と恒温機器を有する試験装置の一例を示す斜視図である。
【図2】図1の試験装置の配管系統図である。
【図3】図2の配管系統図の往き側渡り配管部分の詳細図である。
【図4】図1の試験装置で採用する往き側渡り配管の断面図である。
【図5】図1の試験装置で採用する戻り側渡り配管の断面図である。
【図6】(a)は往き側渡り配管の変形例を示す断面斜視図、(b)は戻り側渡り配管の変形例を示す断面斜視図である。
【図7】本発明の第二の実施形態に係る試験装置の配管系統図である。
【符号の説明】
【0063】
2 サーマルプレート(温度調節機器、恒温機器)
5 熱媒体供給装置
11 キャビティ
20 第一段側圧縮機(圧縮機)
35 熱媒体温度調節用熱交換器
36 バイパス流路
41 冷媒冷却用熱交換器
43 冷熱回収用熱交換器
50 中心管
51 外郭管
52 挿入管
72 往き側補助流路
73 往き側流路
75 中心管(戻り側流路)
76 外郭管
77 戻り側補助流路
92 往き側流路
93 往き側補助流路
97 戻り側流路
98 戻り側補助流路
【出願人】 【識別番号】000108797
【氏名又は名称】エスペック株式会社
【出願日】 平成18年12月22日(2006.12.22)
【代理人】 【識別番号】100100480
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 隆


【公開番号】 特開2008−155110(P2008−155110A)
【公開日】 平成20年7月10日(2008.7.10)
【出願番号】 特願2006−345758(P2006−345758)