(57)【要約】【課題】環境試験装置内部に発熱量大の発熱試料体が置かれる場合、その発熱負荷を効率的に取り除きながら温度湿度制御する方法。【解決手段】圧力容器の内部に加湿水を貯留するとともに試料体を設置可能な試験室を備えて、気体の温度を制御することを目的とした熱交換器を設けて構成されている環境試験装置で、試料体の発熱負荷により試験室の気体温度が上昇した際に、気体温度を下げるために熱交換器を介して熱量を圧力容器外または恒温恒湿槽外に移動して温度湿度制御する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に加湿水を貯留するとともに試料体を設置可能な試験室を備えた密閉可能な圧力容器で構成されている環境試験装置において、この圧力容器内には気体の温度を制御できる熱交換器が設けられているとともに乾球温度センサと加湿水温度センサあるいは湿球温度センサか、乾温度球センサと加湿水温度センサと湿球温度センサ両方が備えられており、前記試験室内に設置された試料体の発熱負荷により試験室の気体温度が設定温度より高くもしくは予想されるとき、前記熱交換器の内部に加湿水温度以上の熱媒体または加湿水温度以上の水を通流して、熱交換器の外表面に結露することなく気体の熱量をこの圧力容器外に移動して、試験室内の温湿度制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気部品、電子部品等の信頼性評価試験及び耐環境試験で用いる蒸気加圧式環境試験装置の温度湿度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気部品、電子部品やこれらの部品で組み立てられた製品の信頼性評価試験及び耐環境試験を行うために、温度と湿度が過酷な環境下に前記部品等を晒して、動作確認を実施したり寿命を推測する目的で、各種の環境試験装置が使用されている。この種の環境試験装置として、例えば、高度加速寿命試験装置（通称ＨＡＳＴ装置）などの高温高湿の環境ができる環境試験装置がある。
【０００３】
この高度加速寿命試験装置では、温度と湿度で制御された大気圧以上の試験環境を試験室内に形成することが多い。この場合、空気は排出され試験室内は水蒸気のみとなる。このときの湿度の定義は加湿水温度と試験室内温度のそれぞれの飽和蒸気圧の比としている。
相対湿度％＝（加湿水温度の飽和水蒸気圧)/(試験室内温度の飽和水蒸気圧)×100  ・・・(1)
【０００４】
この高度加速寿命試験装置には一槽式と二槽式の2タイプが知られている。一槽式は、一つの圧力容器内に水蒸気を発生する加湿水部と試験室があり、加湿水部からの水蒸気を加熱ヒータで再加熱し送風機により攪拌されるタイプである。二槽式は、一槽式の加湿水部と試験室を分離して、水蒸気を発生する加湿水槽と試験室槽が独立して接続されており、加湿水槽で発生した水蒸気を試験室槽に導入し加熱ヒータで再加熱するタイプである。
【０００５】
これらの環境試験装置を利用して、環境試験装置の試験室内に設置された試料体の信頼性評価試験及び耐環境試験を行うために、所望の温度と湿度の環境下で試験をするとき、試験室内の気体を加熱制御する能力に対して試料体に通電しても試料体の発熱負荷が小さいか無い場合は、設定された温度と湿度に対して温湿度制御ができる。
【０００６】
しかしながら、これらの環境試験装置を利用して、試験室内に設置された試料体の発熱負荷が大きい場合は、試験室内の気体の温度が上昇して行き設定温度を保持するように温湿度制御ができなくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、試験室内の気体の温度を設定温度になるよう冷却する必要が生じる。
【０００８】
図示はしないが、大気圧環境下で利用される冷却器が具備されていない環境試験装置では、自然放熱による冷却能力よりも試料体の発熱負荷が大きい場合は、試験室内の気体温度が上昇してしまうが、冷却器等の冷却装置を具備することで気体の冷却と除湿が可能となり、試料体の発熱負荷による試験室内の気体温度の上昇を抑えて温湿度制御が可能となる。
【０００９】
一方、高度加速寿命試験装置は、通常25℃前後の室温雰囲気に置かれ、圧力容器内は水の沸点以上つまり100℃以上で使用されるため、この温度差による圧力容器の外壁からの伝熱による自然放熱を利用して放冷するのが一般的で、冷却器等の冷却装置を具備していない。
【００１０】
この高度加速寿命試験装置では、圧力容器内の空気を排出したのち気密にし、加湿水温度を上昇して加湿水温度に対応した飽和水蒸気圧となるよう圧力容器内の圧力を上げるとともに、試験室内の飽和水蒸気を加熱器で加熱することで、前記(1)式に示した相対湿度％の環境を作りだす。前記の自然放熱による放冷能力より試料体の発熱負荷が大きい場合、試験室内の気体温度は加熱器で制御できなくなり上昇してしまう。
【００１１】
そこで、高度加速寿命試験装置の圧力容器の缶体外壁面に冷却手段として冷却器を取り付けた方法や、圧力容器内に冷却手段として冷却器を設置した方法等で、温湿度制御されている圧力容器内の気体を冷却しようとした場合、冷却器の温度が加湿水温度より低いと、気体である水蒸気は冷却器の表面や加湿水温度より低い温度の部位で結露するとともに冷却される。水蒸気は結露すると瞬時的に凝縮するので圧力容器内の飽和水蒸気圧は急激に下がってしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、加湿水温度に対応した飽和水蒸気圧に戻すように、加湿水の表面から加湿水温度の水蒸気が蒸発して圧力容器内に水蒸気を補充する。補充された水蒸気は、加熱器と試料体の発熱負荷により加熱される一方、同時に冷却器の表面で冷却され凝縮する。しかし、前記圧力容器内外に冷却手段を設置した高度加速寿命試験装置では、設定温度湿度になるよう気体温度と加湿水温度を用いて制御するが、飽和水蒸気を加熱器で加熱する顕熱に比べ、加湿水から蒸発した水蒸気が冷却器で凝縮される潜熱の熱エネルギーの方がはるかに大きく、気体温度を制御できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭59−225336号公報
【特許文献２】特開昭62−269041号公報
【特許文献３】特開2011−252717号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、蒸気加圧式の環境試験装置において、試験室内に設置された試料体の発熱負荷による、試験室内の気体の温度上昇を効率的に取り除きながら温湿度制御する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題の解決手段は、内部に加湿水を貯留するとともに試料体を設置可能な試験室を備えた密閉可能な圧力容器で構成されている環境試験装置において、この圧力容器内には気体の温度を制御できる熱交換器が設けられているとともに乾球温度センサと加湿水温度センサあるいは湿球温度センサか、加湿水温度センサと湿球温度センサ両方が備えられており、前記試験室内に設置された試料体の発熱負荷により試験室の気体温度が設定温度より高くもしくは予想されるとき、前記熱交換器の内部に加湿水温度以上の熱媒体または水を通流して、熱交換器の外表面に結露することなくこの圧力容器外に気体の熱量を移動して、試験室内の温度湿度制御する方法を提供することにある。
【発明の効果】
【００１６】
高度加速寿命試験装置（通称ＨＡＳＴ装置）による、試験温度（130，120，110℃）と試験湿度（85％）の過酷な環境下で被試料体の発熱負荷を発生する試験をするとき、従来技術の高度加速寿命試験に比べて、被試料体の発熱負荷量を多くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における環境試験装置の簡略断面図及び簡略構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における環境試験装置の簡略断面図及び簡略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の温度湿度制御する方法を実施して高度加速寿命試験をする環境試験装置の簡略断面図及び簡略構成図である。
【００１９】
図1に示す簡略断面図及び簡略構成図の高度加速寿命試験をする環境試験装置1は、一端を開口した圧力容器2と開口部を開閉できる開閉蓋3を備えている。
【００２０】
圧力容器2の内部には圧力容器2の開口側と同一側が開放された内槽4が設置され、この内槽4の内側に試験室5が構成されている。この試験室5には図示しないが棚を設置して試料体13を載置できるよう構成されている。圧力容器2の内部の内槽4の外側の下部には加湿水9が貯留されている。この加湿水9に浸漬されるように加湿水9を加熱する加湿水加熱ヒータ7と加湿水9の温度を計測する加湿水温度センサ12が設けられている。
【００２１】
前記圧力容器2内の試験室5には気体の温度と湿球温度を計測するために乾球温度センサ10と湿球温度センサ11が設けられている。湿球温度センサ11の球部には加湿水9を毛細管現象により吸い上げることができる繊維体、例えばガーゼが被せられており、この繊維体の下端は加湿水9に浸漬するよう構成されている。また、前記内槽4の開口側の反対側には貫通口が形成されており、内槽4と圧力容器2の間に設置された加熱ヒータ6で気体を加熱するよう構成されている。気体は攪拌手段で循環させることができるようになっている。
【００２２】
前記圧力容器2内には気体の熱を熱移動して冷却するように熱交換器8を備えている。この熱交換器8は熱伝導効率の良い物質で構成されていることが望ましい。図1の簡略配管構成は、高沸点温度のフッ素系の熱媒体15を圧力容器2の外部に設置された熱媒槽14の内部で加熱ヒータ16を用いて加温する。加温された熱媒体15は循環ポンプ17を経由して熱交換器8の一端に流量の入口として配管接続し、他の一端は流量の出口として放熱器19を経由して熱媒槽14に戻す配管系として構成されている。また、熱媒体15の温度制御をするために補助加熱ヒータ18と温度センサ20、21、22が設けられている。
【００２３】
更に、圧力容器2には圧力容器2内を大気圧以上に気密にする制御弁23が備えられている。また、この図1の環境試験装置1には図示しないが制御装置が備えられており、この制御装置で環境試験装置1を制御する。
【００２４】
以上の構成において、実施例の代表設定温度湿度例として、設定温度130℃、設定湿度85％の設定値例として説明する。
【００２５】
試験室5に試料体13を載置して、加湿水9を100℃に沸騰させ圧力容器2内の空気を排出し水蒸気のみにした状態で制御弁23を閉じて圧力容器2を気密したのち、さらに加温して試験室5の環境が設定温度130℃、設定湿度85％に到達し安定している場合、前記(1)式の試験室内温度に対応する乾球温度センサ10の温度は130℃、加湿水温度に対応する加湿水温度センサ12の温度は約124.65℃（飽和水蒸気圧0.2296ＭＰａ換算値、日本機械学会蒸気表より）である。この時の湿球温度センサ11の球部の温度は、球部の繊維体が加湿水から毛細管現象により吸い上げて濡れておれば加湿水温度センサ12の温度と同値であると経験的にみなすことができる。
【００２６】
試験室5の試料体13が発熱しない場合は、図1の簡略配管構成において、循環ポンプ17と熱交換器8の間の図示しない制御弁が閉じ、循環ポンプ17が停止し熱媒体15が熱交換器8内で停滞しているので、温度センサ21と温度センサ22の測定温度は等しく同温である。
【００２７】
この時の圧力容器2内では、約124.65℃の加湿水9の水面から蒸発した水蒸気を加熱ヒータ6で加温して試験室5の気体（水蒸気）温度を130℃に制御している。つまり、試験室5の発熱していない試料体13を載置してある環境を設定温度130℃、設定湿度85％に維持するには、加湿水9を約124.65℃にして試験室5の気体を加熱ヒータ6で約5.35℃加熱して130℃に保持すればよいのである。
【００２８】
ここで、試料体13に電源を通電すると試料体13が発熱し気体の温度を加温し始める。すると試料体13の発熱量に相応して加熱ヒータ6の発熱量が減少して試験室5の気体の温度が一定になるよう制御する。しかし、試料体13の発熱する発熱量が試験室5の気体を約5.35℃以上加熱する発熱量になると、加熱ヒータ6の通電量を0％にしても試験室5の気体の温度は130℃以上になり、設定温度130℃、設定湿度85％を維持できなくなる。本発明を実施しないで高度加速寿命試験をする環境試験装置で設定温度130℃、設定湿度85％の環境試験をする時の試料体13の許容発熱負荷は、試験室5の気体を約5.35℃上昇するに必要な加熱ヒータ6の発熱量と同値以下であることになる。
【００２９】
次に、本発明を実施した形態で、設定温度130℃、設定湿度85％の環境試験をする時、試料体13が前記許容発熱負荷以上の発熱した場合の説明をする。
【００３０】
試験室5の環境が設定温度130℃、設定湿度85％に安定している場合、前記熱媒槽14内のフッ素系の熱媒油の熱媒体15は、約124.65℃以上130℃未満に加温に制御する。次に、図示しない前記制御弁を開いて循環ポンプ17を駆動する。この循環ポンプ17は回転制御することで熱媒体15の流量を調整できるように構成されている。温度センサ21の測定温度を約124.65℃以上130℃未満、出口部の温度センサ22の測定温度を130℃になるよう循環ポンプ17で回転制御する。循環ポンプ17で圧力容器2内の熱交換器8の一端の入口部位に液送される。熱媒体15の温度調整は主に熱媒槽14で行い、その設定温度は試料体13の発熱負荷による試験室5の気体の上昇温度を考慮して約124.65℃以上130℃未満内に設定する。液送時、配管からの放熱で、熱交換器8の入口部位に設置された温度センサ21の熱媒体15の測定温度が約124.65℃より低く計測あるいは予測される場合は、補助加熱ヒータ18により加湿水温度以上に加温する。
【００３１】
始め圧力容器2内の熱交換器8の表面は圧力容器2内の気体（水蒸気）の温度に晒されているので130℃になっている。熱交換器8内を約124.65℃以上130℃未満の熱媒体15が通流するとき、圧力容器2内の気体（水蒸気）の熱量は熱交換器8を結露することなく伝熱し、さらに熱媒体15に伝熱して熱媒体15の温度を上げ、圧力容器2外へ交換した熱量として排出される。熱媒体15が熱交換器8を通流すると、入口部の温度センサ21の測定温度と出口部の温度センサ22の測定温度には（温度センサ21の測定温度）＜（温度センサ22の測定温度）の関係が発生する。
【００３２】
ここで、試験室5の環境が設定温度130℃、設定湿度85％に安定して、試料体13に試験室5の気体を10℃上昇する発熱量の発熱負荷が印加された場合、加熱ヒータ6の通電量を0％にしても試験室5の気体の温度は134.65℃（124.65℃＋10℃）となり+4.65℃高くなる。試験室5の気体の温度を130℃にするには、熱交換器8の温度センサ21の測定温度を125.35℃、出口部の温度センサ22の測定温度を130℃になるよう循環ポンプ17で熱媒体15の流量を回転制御する。熱交換器8から出た熱媒体15は放熱器19で温度センサ21の測定温度以下になるよう冷却して熱媒槽14に戻される。そして、再び、熱媒槽14で熱交換器8の温度センサ21の測定温度が125.35℃になるよう温度調整するとともに循環ポンプ17で熱媒体15の流量を回転制御し循環する。
【００３３】
または、熱交換器8の温度センサ21の測定温度を124.65℃以上、出口部の温度センサ22の測定温度を130℃未満になるよう熱媒槽14で熱媒体15を温度調整するとともに循環ポンプ17で熱媒体15の流量を回転制御する。熱交換器8から出た熱媒体15は放熱器19で温度センサ21の測定温度以下になるよう冷却して熱媒槽14に戻される。この時、試験室5で過冷却しすぎた熱交換器8の交換熱量に対応する温度の0.7℃（125.35℃−124.65℃）は加熱ヒータ6の通電量で補う温度制御をすることでもよい。
【００３４】
次に、試料体13に試験室5の気体を20℃上昇する発熱量の発熱負荷が印加された場合は、加熱ヒータ6の通電量を0％にしても試験室5の気体の温度は144.65℃（124.65℃＋20℃）となり+14.65℃高くなる。試験室5の気体の温度を130℃にするには、熱交換器8の温度センサ21の測定温度を124.65℃以上、出口部の温度センサ22の測定温度を130℃未満になるよう循環ポンプ17で熱媒体15の流量を増加して回転制御するとともに、放熱器19を経由して冷却した後、熱媒体15の温度を熱媒槽14で温度調整する。
【００３５】
更に、試料体13に試験室5の気体の温度を上昇する発熱量の発熱負荷が印加される場合、新たに、比熱の良い熱媒体に熱媒体15を交換、伝熱面積の大きく交換熱量の良い熱交換器8に交換、循環流量の大きい循環ポンプ17に交換、伝熱面積の大きく交換熱量の良い放熱器19に交換または放熱器19を図示しないファンで空冷することで、試料体13の発熱量を圧力容器2外に移動して試験室5の気体の温度の上昇を抑えることが可能となる。
【００３６】
本発明の請求項1を実施した図1では、熱媒槽14、熱媒体15、加熱ヒータ16、温度センサ20を圧力容器2外に設置してあるが、他の実施例の図2の簡略構成図のように圧力容器2内の加湿水9を熱媒体として利用できるよう配管接続してもよい。
【００３７】
また、請求項1の本発明を実施せしめた、内部に加湿水を貯留するとともに試料体を設置可能な試験室を備えた密閉可能な圧力容器で構成されている環境試験装置において、試験室5の気体の温度を上昇する場合、熱交換器8内の熱媒体15の温度を試験室5の設定温度
以上にした温度で通流すると、試験室5の気体の温度は熱交換器8の表面で温度上昇する。気体の水蒸気は圧力容器2内の加熱ヒータ6に加えて熱交換器8内の熱媒体15の熱量で加熱できる。従って、従来の高度加速寿命試験をする環境試験装置に比べて、本発明を実施せしめた環境試験装置は短い時間で圧力容器2内を温度上昇することにも利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、温度と湿度が過酷な環境下で、今までより多くの電気部品、電子部品等に電圧電流を印加して動作状態で行う寿命試験や高温高湿バイアス試験が可能となり、信頼性評価試験及び耐環境試験をする産業に有利に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
・  環境試験装置
・  圧力容器
・  蓋
・  内槽
・  試験室
・  加熱ヒータ
・  加湿水加熱ヒータ
・  熱交換器
・  加湿水
・  乾球温度センサ
・  湿球温度センサ
・  加湿水温度センサ
・  試料体
・  熱媒槽
・  熱媒体
・  加熱ヒータ
・  循環ポンプ
・  補助加熱ヒータ
・  放熱器
20、21、22  温度センサ
23  制御弁
【図１】
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【図２】
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