JP4657247B2 - 気体導入構造、並びに、環境試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、仕切壁で仕切られた二つの空間の一方の空間から他方の空間に気体を導入する気体導入構造に関するものである。

従来から電子部品などの温度特性試験や熱処理を行う装置として環境試験装置が知られている。環境試験装置の中には、試験や熱処理が行われる恒温槽を二酸化炭素や窒素などの不活性ガスで充満させ、恒温槽内を無酸化雰囲気に近づけて温度特性試験や熱処理ができるものがある。

恒温槽内に不活性ガスを導入する構造としては、ファンを用いて不活性ガスを恒温槽内に導入する構造が知られている。例えば下記の特許文献１において、環境試験装置の内槽に窒素ガスを導入する窒素ガス置換導入構造が開示されている。
特開平９−２２２３８８号公報

ファンを回転させるのに電動機が用いられるが、一般の電動機においては、気密性が確保されていない。そのため従来の気体導入構造では、電動機側から外気が流れ込み、恒温槽内に導入される気体には、不活性ガス以外に外気が混入されていた。その結果、恒温槽内の酸素濃度を一定の酸素濃度以下にまで低下させることは困難であった。

かかる問題に対して、特許文献１の窒素ガス置換導入構造では、ブロック状のシール部材を用いて外気の侵入を阻止している。しかし特許文献１の窒素ガス置換導入構造には、複雑な構成のシール部材が必要となる。

また特許文献１のシール部材は、回転軸の軸方向に２つのオイルシール装着部と補助の窒素ガス導入口とが配置されなければならない。そのため、回転軸の軸方向には、シール部材のためにかなりのスペースをとる必要があり、回転軸の長さを長くしなければならなかった。さらに回転軸の長さが長くなると、軸受に加わる荷重が増加するので、軸受や電動機が大型になるという問題があった。

そこで本発明は、簡易な構成によって導入気体に対する外気の混入を防止することができる気体導入構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、第一空間と第二空間とを仕切る仕切壁と、第一空間と第二空間とを繋ぐように仕切壁を貫通する第一貫通孔と、第一空間に配置される電動機と、第二空間に配置されるファンと、前記第一貫通孔に挿入されて電動機の回転をファンに伝える回転軸と、吹出口がある気体導入管とを備え、第一貫通孔の開放部と電動機の間に、仕切壁と電動機との間が密閉手段で密閉された気体導入空間が形成され、該気体導入空間内に吹出口が位置して、吹出口の吹出方向が電動機側に向くように気体導入管が配置され、ファンの回転によって気体導入空間内の気体が第二空間に向けて移動する気流が発生され、吹出口から吹き出された導入気体が気体導入空間を通って第二空間に導入されることを特徴とした。

請求項１の気体導入構造は、ファンを回転させることにより、気体導入空間内の気体を第二空間に向けて移動させる。そのため気体導入空間に吹き出された導入気体は、効率良く第二空間に導入される。このとき、気体導入空間内は、外気に比べて低圧な負圧状態になる。

一般に電動機については気密性が確保されていない。そのため、従来の気体導入構造では、電動機の気密性がない部分から低圧な気体導入空間内に外気が侵入し、導入気体に外気が混入するおそれがあった。

しかし請求項１の気体導入構造は、吹出口の吹出方向が電動機側に向くように気体導入管が配置されており、吹出口から吹き出される導入気体が、電動機側に向けて吹き出される。そのため、気体導入空間内における吹出口から電動機側の領域における気圧は、導入気体の流れによって高められ、外気に対する負圧状態が解消される。その結果、請求項１の気体導入構造では、気体導入空間への外気の侵入が防止され、導入気体に外気が混入するのを防止することができる。

また請求項１の気体導入構造における導入気体に外気が混入するのを防止するための構成は、吹出口の吹出方向が電動機側に向くように気体導入管を気体導入空間内に配置するだけであり簡易である。

ここで一般の電動機においては、回転軸を回転させる際に回転軸が電動機の枠体に接触しないように、枠体と回転軸との間には一定の隙間が形成される。電動機には、前記隙間以外にも、電源線と枠体との間の隙間等があり、これらの隙間を通じて電動機内には外気が出入りすることができる。
また電動機の枠体内には、回転軸を軸支する軸受などが収容されているが、軸受についても気密性が確保されていないのが一般的である。そのため電動機内の気体は、軸受を通って電動機内を移動することができる。

従来の気体導入構造においても、電動機と仕切壁との間の気体の出入りについては、密閉手段によって阻止されていた。しかし上記のように、電動機には、枠体等に外気の出入りが可能な気密性のない部分がある。そのため従来の気体導入構造では、これらの部分を通じて外気がファンの回転で負圧になった空気導入空間に流れ込んでいた。

かかる知見に基づいて提案される請求項２の気体導入構造は、請求項１の発明において、電動機の枠体には、回転軸が差し込まれる差込口があり、吹出口から吹き出される導入気体の吹出方向が前記差込口に差し込まれた回転軸と枠体との間の隙間に向けられることを特徴とした。

請求項２の気体導入構造は、回転軸と電動機の枠体との間の隙間に対して、吹出口から導入気体を吹き付けることができる。そのため気体導入空間への外気の侵入口である前記隙間周辺の気圧を集中的に高めて外気圧と同等もしくはそれ以上にすることができる。その結果、気体導入空間への外気の侵入を確実に阻止することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、気体導入管の一部が気体導入空間に配置され、気体導入空間内の気体導入管は、途中で電動機側に曲げられていることを特徴とした。

請求項３の気体導入構造は、気体導入管を曲げるだけの簡易な構成で導入気体の吹出方向を調整することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、密閉手段は、回転軸が貫通される第二貫通孔を有する筒状の部材であって、密閉手段の内外を貫通する管挿入孔を有し、吹出口が第二貫通孔内に位置するように気体導入管が管挿入孔に配置されて、電動機と仕切壁との間に挟み込まれることを特徴とした。

これにより、吹出口が第二貫通孔内に位置し、吹出口が第一貫通孔内に配置された場合に比べ、吹出口から電動機までの距離を短くすることができる。そのため請求項４の気体導入構造では、吹出口から吹き出される導入気体の大部分を所定の領域に確実に吹き付けることができる。また吹出口から所定の領域までの距離が短いので、吹出口から吹き出された導入気体の勢いが失われないうちに、導入気体を所定の領域に吹き付けることが可能である。その結果、少量の導入気体を所定の領域に吹き付けるだけで、所定の領域の気圧を集中的に上昇させることができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、密閉手段の第二貫通孔の内径は、第一貫通孔の内径よりも大きいことを特徴とした。

これにより、回転軸と第二貫通孔との間に一定の空間を生じさせることができる。この空間は、回転軸と第一貫通孔との間に生じる空間に比べ、貫通孔の壁面から回転軸までの距離が長い。そのため、気体導入管を回転軸に接触させずに導入気体の吹出方向の調整を行うことができる。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかの気体導入構造が取り付けられた環境試験装置であって、恒温槽の内部を前記第二空間とし、恒温槽の外部を前記第一空間として、導入気体が恒温槽の内部に導入されることを特徴とした。

これにより、恒温槽内に外気の混入がない導入気体を導入することができる。

本発明は、簡易な構成によって導入気体に外気が混合されるのを防止することができる。

以下、本発明の実施形態である気体導入構造について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の気体導入構造の取り付け状態を示す断面図である。
本実施形態の気体導入構造１は、ＬＴＰＳ（Low-Temperature Poly-Silicon：低温ポリシリコン）、有機ＥＬ（organic electroluminescence）、ＦＥＤ（Field Emission Display）などのＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造工程や、電子部品などの温度特性試験・熱処理などで使用される環境試験装置等に用いることができる。
環境試験装置に本実施形態の気体導入構造１を用いることにより、環境試験装置の恒温槽３内に二酸化炭素や窒素などの不活性ガスを導入し、恒温槽３内を無酸化雰囲気に近づけて試験や熱処理を行うことができる。

気体導入構造１は、恒温槽３の内部（第二空間）と外部（第一空間）とを仕切る仕切壁５の所定位置に設置される。仕切壁５の所定位置には、所定の内径を有する第一貫通孔１１が貫通される。第一貫通孔１１は、恒温槽３の内部と外部とを繋ぐ貫通孔である。第一貫通孔１１の恒温槽３内部側は、気体が流れ出る開放部９である。
図１に示すように、気体導入構造１は、電動機６、回転軸７、ファン８、密閉手段１０および気体導入管１２を備える。

電動機６は、枠体２０で周囲を覆われている。本実施形態の電動機６の枠体２０は、円筒状の枠体本体２１と、枠体本体２１の両端部をそれぞれ閉塞する閉塞部材２２，２３とを備えている。閉塞部材２２，２３のうちファン８側の閉塞部材２２には、回転軸７を差し込むための差込口２５がある。差込口２５の内径は、回転軸７の外径よりも大きい。そのため、回転軸７が差込口２５に差し込まれて電動機６に取り付けられると、差込口２５の設けられた閉塞部材２２と回転軸７との間には一定の隙間２７が形成される。この隙間２７があることにより回転軸７は、枠体２０と接触せずに滑らかに回転することができる。

枠体２０の内部には、回転軸７を軸支する軸受２６が複数収容される。そして複数の軸受２６のうち少なくとも１つは、回転軸７および軸受２６に加わる応力を低減させるため差込口２５の近傍に配置される。また電動機６は、電動機６に電力を供給する電源線（図示せず）と接続されており、枠体２０には電源線を枠体２０の内部に導くための導入口（図示せず）が設けられている。そして枠体２０と電源線との間にも隙間（図示せず）が生じている。

電動機６およびファン８には、公知のものを用いることができる。本実施形態では、電動モータおよび遠心ファンが用いられている。また電動機６内の軸受２６については、気密性が確保されていないのが一般的である。

図２に示すように密閉手段１０は、中央に第二貫通孔１５を備えた円筒状の部材である。また密閉手段１０には、管挿入孔１６が設けられている。管挿入孔１６は、密閉手段１０の周壁３０を貫通する貫通孔であり、第二貫通孔１５と連通している。この管挿入孔１６には、気体導入管１２が嵌入される。

なお密閉手段１０は、恒温槽３の仕切壁５と電動機６との間の密閉性を確保することができればよく、例えば、樹脂、ゴム、シリコン、金属、グラスファイバー、カーボンなどで形成することができる。

気体導入管１２は、恒温槽３の内部に導入される窒素等の導入気体が流される管である。気体導入管１２の一方の端部は、気体導入管１２に対して気体を供給する気体供給装置（図示せず）と接続される。また気体導入管１２の他方の端部は、気体供給装置から供給された気体を吹き出す吹出口１７として機能する。

以下、本実施形態の気体導入構造１における、各構成要素の位置関係について説明する。図１に示すように、電動機６とファン８とは、前記仕切壁５に設けられた第一貫通孔１１を挟んで対向するように配置される。このとき電動機６は、恒温槽３の外部に配置され仕切壁５に固定される。これに対してファン８は、恒温槽３の内部に配置される。

電動機６を仕切壁５に固定する際、電動機６と仕切壁５との間には密閉手段１０が配置される。このとき仕切壁５の第一貫通孔１１と密閉手段１０の第二貫通孔１５とは、それぞれの断面の中心が孔の貫通方向において一致しており、恒温槽３の内部と外部とを繋ぐ連続した一つの貫通孔１８を形成する。

そして貫通孔１８には、電動機６とファン８とを連結するために回転軸７が挿入される。回転軸７の一方の端部には、ファン８が取り付けられ、他方の端部には電動機６が取り付けられる。これにより電動機６の回転が回転軸７を介してファン８に伝えられる。また、このとき回転軸７は、電動機６の枠体２０内に収容された軸受２６によって軸支されている。

図２に示すように、仕切壁５の第一貫通孔１１に回転軸７が挿入されると、回転軸７の外径は、第一貫通孔１１の内径よりも小さく、回転軸７と第一貫通孔１１の内壁との間には一定の空間が形成される（以下、「第一気体導入空間３１」という）。第一気体導入空間３１のファン８側は、恒温槽３内に気体が流れ込む開放部９である。

また密閉手段１０の第二貫通孔１５の内径は、仕切壁５の第一貫通孔１１の内径よりも大きい。そのため第二貫通孔１５の内径は、回転軸７の外径よりも大きい。したがって第二貫通孔１５に回転軸７が挿入されると、回転軸７と第二貫通孔１５の内壁との間には一定の空間が形成される（以下、「第二気体導入空間３２」という）。

第一気体導入空間３１と第二気体導入空間３２とは連続した空間であり、両者によって気体導入空間３３が形成される。図１に示すように、気体導入空間３３の電動機６側は、電動機６の枠体２０（閉塞部材２２）によって塞がれており、ファン８側は開放部９であって開放されている。すなわち気体導入空間３３は、第一貫通孔１１と第二貫通孔１５と電動機６とで形成される。このとき電動機６の枠体２０と回転軸７との間の隙間２７は、気体導入空間３３（第二気体導入空間３２）に面する。

図２に示すように、気体導入管１２は、上記密閉手段１０の管挿入孔１６に隙間なく嵌入されて密閉手段１０に取り付けられる。このとき、気体導入管１２の先端側の一部である先端領域１３は、第二気体導入空間３２の内部に配置される。このため密閉手段１０が仕切壁５と電動機６との間に取り付けられると、気体導入管１２の先端領域１３が気体導入空間３３（第二気体導入領域３２）内に配置された状態となる。

本実施形態において、恒温槽３に導入される導入気体を吹き出す吹出口１７は、気体導入管１２の先端領域１３の先端にある。そのため吹出口１７は、気体導入空間３３のうち第二気体導入空間３２内に配置される。密閉手段１０が仕切壁５と電動機６との間に取り付けられると吹出口１７が電動機６側に向くように、気体導入管１２は密閉手段１０に取り付けられる。

さらに詳しく説明すると、気体導入管１２の先端領域１３は、図２に示すように、途中で電動機６側に曲げられている。曲げられた先端領域１３のうち吹出口１７を含む先端側の部分について中心軸を仮想的に延長すると、前記中心軸は、電動機６の枠体２０と回転軸７との間の隙間２７に達する。すなわち気体導入管１２の吹出口１７から吹き出される導入気体の吹出方向が隙間２７に向かうように気体導入管１２は曲げられる。

次に本実施形態の気体導入構造１の作用および効果について説明する。
恒温槽３の内部に気体を導入させるため、電動機６が駆動され、気体供給装置（図示せず）から気体供給管１２に導入気体が供給される。本実施形態では、導入気体として窒素が用いられる。電動機６が駆動されると、電動機６の回転が回転軸７を介してファン８に伝えられる。ファン８が回転すると気体導入空間３３の内部に存在する気体が恒温槽３側に吸い出される。このため気体導入空間３３の内部は外気に対して負圧になる。負圧になった気体導入空間３３には、気体導入管１２の吹出口１７から窒素が吹き出される。気体導入空間３３に吹き出された窒素は、ファン８によって気体導入空間３３から恒温槽３側に吸い出され恒温槽３内に導入される。そうすると恒温槽３内の導入気体である窒素の濃度が上昇し、酸素濃度が低下する。

本実施形態の気体導入構造１では、仕切壁５と電動機６との間には密閉手段１０を挟み込まれている。これにより仕切壁５と電動機６との継目から外気が気体導入空間３３内に侵入するのを防止している。

また一般の電動機では、電源線と枠体２０との間の隙間や、枠体２０内に収容された軸受２６などについては気密性がない。そのため、枠体２０自体を密閉構造とした場合であっても、電源線と枠体２０との間の隙間や軸受２６を通じて電動機６の内外を外気が移動できる。

すなわち従来の気体導入構造では、電源線と枠体２０との間の隙間（図示せず）等を通じて電動機６内に外気が侵入していた。そしてファン８を回転させて気体導入空間３３が負圧となった場合、この外気が軸受２６や隙間２７を通じて負圧になった気体導入空間３３内に流れ込んでいた。

そのため従来の気体導入構造を環境試験装置に用いた場合、恒温槽３に導入される気体には、外気が含まれ、恒温槽３内の酸素濃度を一定の酸素濃度（４００〜５００ｐｐｍ）以下にまで低下させることが困難であった。

しかし本実施形態の気体導入構造１では、気体導入管１２の吹出口１７が電動機６側に向けられ、導入気体の吹出方向が電動機６の枠体２０と回転軸７との間の隙間２７に向けられている。そのため吹出口１７から吹き出される導入気体は、枠体２０と回転軸７との間の隙間２７に対して吹き付けられる。これにより隙間２７近傍の気圧が高められる。また隙間２７に入り込む導入気体の流れによって、隙間２７近傍に配置された軸受２６周辺の気圧も上昇される。その結果、電動機６の内部から軸受２６や隙間２７を通じて気体導入空間３３に外気が侵入するのを防止することができる。

よって本実施形態の気体導入構造１では、気体導入空間３３から吸い出されて恒温槽３に導入される気体には気体導入管１２の吹出口１７から吹き出される導入気体以外の外気がほとんど含まれない。そのため本実施形態の気体導入構造１を環境試験装置に用いれば、気体導入管１２から吹き出される窒素（導入気体）のみを恒温槽３内に導入することができ、恒温槽３内に導入される窒素の導入量が従来の気体導入構造と同じであっても、恒温槽３内をより無酸化雰囲気に近づけることができる。

図３，４は、気体導入管１２を電動機６側に曲げて導入気体の吹出方向を電動機６側に向けたことによる効果を確認した実験のグラフである。
図３は、導入気体の吹出方向が電動機６側に向けられていないタイプの気体導入構造が採用され、恒温槽３の内容積が５００ｌである環境試験装置において、５００℃で熱処理を行い、気体導入管から４２０ｌ／ｍｉｎの導入量で窒素を導入した場合の恒温槽３内の温度と酸素濃度の変化を表したグラフである。なおここで用いられた気体導入構造は、電動機６側に曲げられた気体導入管１２の構成を除き本実施形態の気体導入構造１と同じである。

図４は、図１に示すように、導入気体の吹出方向が電動機６側に向けられている本実施形態の気体導入構造１が採用された環境試験装置において、図３のグラフと同一の実験条件で、恒温槽３内の温度と酸素濃度の変化を表したグラフである。

図３のグラフに示されるように、導入気体の吹出方向が電動機６側に向けられていない気体導入構造を用いると、恒温槽３内の酸素濃度を４００ｐｐｍ以下に低下させることはできなかった。これに対し本実施形態の気体導入構造１によれば、図４のグラフに示されるように、窒素導入量を増やすことなく恒温槽３内の酸素濃度を１ｐｐｍ以下にまで下げることができた。

本実施形態の気体導入構造１において、密閉手段１０に設けられた第二気体導入空間３２は、仕切壁５に設けられた第一気体導入空間３１に比べ、貫通孔の内壁から回転軸７までの距離が長い。そのため、本実施形態の気体導入構造１は、吹出口１７が第一気体導入空間３１内に配置される場合よりも、気体導入管１２の突出部１３が回転軸７に接触するおそれが少ない。その結果、気体導入管１２の突出部１３の長さおよび形状に自由度を持たせることができ、吹出口１７から吹き出される導入気体の吹出方向の調整が容易である。

加えて吹出口１７を第二気体導入空間３２に配置することにより、吹出口１７が第一気体導入空間３１内に配置された場合に比べ、吹出口１７から電動機６の隙間２７までの距離を短くすることができる。

そのため吹出口１７から吹き出される導入気体の大部分を、外気の侵入口である電動機６の隙間２７に吹き付けることができる。また吹出口１７から吹き出された導入気体の勢いを維持したまま、導入気体を電動機６の隙間２７に対して吹き付けることも可能である。その結果、本実施形態の気体導入構造１は、少量の導入気体を電動機６の隙間２７に対して吹き付けるだけで、隙間２７近傍の気圧を集中的に上昇させ、気体導入空間３３に外気が侵入するのを防止することができる。

また本実施形態の気体導入構造１は、密閉手段１０について特に複雑な構成を必要とせず、気体導入管１２を所定の方向に曲げるだけの簡易な構成で実施することができる。したがって、密閉手段１０については、気体導入管１２を取り付けることができる厚さが確保されればよく、回転軸７の軸方向に必要とされる密閉手段１０のためのスペースが少なくてよい。そのため特に回転軸７を長くする必要がなく、軸受２６に加わる荷重を増加させることもない。

上記実施形態の気体導入構造１では、気体導入管１２が密閉手段１０に取り付けられたが本発明はこのような構成に限られるわけではない。例えば、気体導入管１２を仕切壁５の第一貫通孔１１に取り付け、導入気体の吹出方向を電動機６側に向ける構成としてもよい。

この構成を採用すると、密閉手段１０に対して気体導入管１２を取り付ける必要がないので、仕切壁５と電動機６との間に密閉手段１０を挟み込む必要がない。この場合、コーキング材などを密閉手段１０として用い、仕切壁５と電動機６との境界部分にコーキングなどの処置を施すことで仕切壁５と電動機６との間の密閉性を確保することができる。そのため上記実施形態で必要であった密閉手段１０のためのスペースが不要となる。その結果、回転軸７の長さを短くし、軸受２６に加わる負担を小さくすることができる。

上記実施形態において気体導入構造１は、恒温槽３内に導入気体を導入させて、恒温槽３内の酸素濃度を低下させるのに用いられたが、本発明はこのような用途に限定されるわけではない。例えば恒温槽３内の気体を循環させるのに用いることも可能である。

また上記実施形態において気体導入管１２から吹き出される導入気体には窒素が用いられたが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。二酸化炭素等の窒素以外の不活性ガスや他の気体を導入気体とすることも可能である。

本発明の気体導入構造の取り付け状態を示す断面図である。 図１に示した気体導入構造の部分拡大断面図である。 導入気体の吹出方向が電動機側に向けられていない気体導入構造が採用された環境試験装置における恒温槽内の温度と酸素濃度の変化を表したグラフである。 導入気体の吹出方向が電動機側に向けられている気体導入構造が採用された環境試験装置における恒温槽内の温度と酸素濃度の変化を表したグラフである。

符号の説明

１ 気体導入構造
３ 恒温槽
５ 仕切壁
６ 電動機
７ 回転軸
８ ファン
９ 開放部
１０ 密閉手段
１１ 第一貫通孔
１２ 気体導入管
１５ 第二貫通孔
１７ 吹出口
２０ 枠体
２７ 隙間
３３ 気体導入空間

Claims (6)

1. 第一空間と第二空間とを仕切る仕切壁と、
   第一空間と第二空間とを繋ぐように仕切壁を貫通する第一貫通孔と、
   第一空間に配置される電動機と、
   第二空間に配置されるファンと、
   前記第一貫通孔に挿入されて電動機の回転をファンに伝える回転軸と、
   吹出口がある気体導入管とを備え、
   第一貫通孔の開放部と電動機の間に、仕切壁と電動機との間が密閉手段で密閉された気体導入空間が形成され、
   該気体導入空間内に吹出口が位置して、吹出口の吹出方向が電動機側に向くように気体導入管が配置され、
   ファンの回転によって気体導入空間内の気体が第二空間に向けて移動する気流が発生され、吹出口から吹き出された導入気体が気体導入空間を通って第二空間に導入されることを特徴とする気体導入構造。
2. 電動機の枠体には、回転軸が差し込まれる差込口があり、吹出口から吹き出される導入気体の吹出方向が前記差込口に差し込まれた回転軸と枠体との間の隙間に向けられることを特徴とする請求項１に記載の気体導入構造。
3. 気体導入管の一部が気体導入空間に配置され、気体導入空間内の気体導入管は、途中で電動機側に曲げられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体導入構造。
4. 密閉手段は、回転軸が貫通される第二貫通孔を有する筒状の部材であって、密閉手段の内外を貫通する管挿入孔を有し、吹出口が第二貫通孔内に位置するように気体導入管が管挿入孔に配置されて、電動機と仕切壁との間に挟み込まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気体導入構造。
5. 密閉手段の第二貫通孔の内径は、第一貫通孔の内径よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の気体導入構造。
6. 請求項１〜５のいずれかの気体導入構造が取り付けられた環境試験装置であって、
   恒温槽の内部を前記第二空間とし、恒温槽の外部を前記第一空間として、導入気体が恒温槽の内部に導入されることを特徴とする環境試験装置。

Images