JP2005221110A - 調温調湿装置および環境試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 対象室の調温調湿を行う冷凍サイクルの蒸発器への着霜を回避し、かつ、対象室の温度および湿度の変動を抑制する。
【解決手段】 冷凍サイクルを構成する蒸発器１３に試験室１内の空気を循環させて、試験室１内の温度と湿度を制御する冷凍機を備えた調温調湿装置において、蒸発器１３における冷媒の蒸発温度を調整して蒸発器１３の蒸発温度の検出値を着霜温度を超える温度に設定された設定温度に調整することにより、周囲温度の変化などの外乱があっても、蒸発温度が着霜しない設定温度に維持されるから、試験室１内の温度および湿度を安定に長時間制御できる。また、蒸発温度を設定温度に維持するように蒸発温度を可変制御するから、設定温度を着霜温度に近づけて設定しても着霜を防止でき、ノーフロスト運転の領域を低温度側、および低湿度側に拡大することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、調温調湿装置および環境試験装置に関する。

環境試験装置は、電子部品、自動車部品あるいは化学物質など、各種の試験対象の温度特性や湿度特性を試験する場合に用いられる。一般に、環境試験装置は、試験対象の試料を設置する試験室と、この試験室内の温度と湿度とを調整する調温調湿装置を有して構成されている。この調温調湿装置は、例えば、試験室内を加熱する加熱器と、加湿する加湿器が設けられている。試験室内の冷却と除湿については、冷凍サイクルの蒸発器で行い、これにより試験室内を、例えば恒温恒湿に保つようにしている。

ところで、試験室内が低温度あるいは低湿度に設定されると、冷凍サイクルの蒸発器に着霜することがある。蒸発器に着霜した場合、冷却および除湿の効果が低減して、試験室内を恒温恒湿に保てなくなるから、試験を中断して除霜運転を行う必要がある。しかし、環境試験装置は、一般に、例えば、２〜２４時間連続使用されるから、しばしば除霜運転することはできない。そこで、除霜運転の間隔を長くするために、クロスフィンチューブ型の蒸発器において、多少の着霜が生じても冷却および除湿の効果を維持できるように、フィンピッチの間隔を広げることが行われている。

一方、蒸発器の着霜を防止するため、蒸発器と圧縮機との間のガス冷媒流路に、蒸発器の蒸発温度を調整する減圧弁を設け、蒸発器の蒸発温度を着霜温度よりも高く運転する、いわゆるノーフロスト運転を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２７８０７１号公報（第２−４頁、第１図）

しかし、特許文献１の減圧弁は、減圧量が固定されているから、周囲温度の変化などの外乱によって蒸発温度がバラつき（例えば、２〜３℃）、蒸発器に着霜する場合がある。これにより、調温調湿の対象室である試験室内の温度や湿度が変動するおそれがある。

本発明は、対象室の調温調湿を行う冷凍サイクルの蒸発器への着霜を回避し、かつ、対象室の温度および湿度の変動を抑制することを課題とする。

本発明は、次に述べる手段により、上記課題を解決するものである。すなわち、冷凍サイクルを構成する蒸発器に対象室内の空気を循環させて、対象室内の温度と湿度を制御する冷凍機を備えた調温調湿装置において、蒸発器における冷媒の蒸発温度を調整して蒸発器の蒸発温度の検出値を着霜温度を超える温度に設定された設定温度に調整する調整手段を設けたことを特徴とする。

これにより、周囲温度の変化などの外乱があっても、蒸発温度が着霜しない設定温度に維持されるから、対象室内の温度および湿度を安定に制御できる。また、蒸発温度を設定温度に維持するように蒸発温度を可変制御するから、設定温度を着霜温度に近づけて設定しても着霜を防止できる。すなわち、ノーフロスト運転の領域を低温度側、あるいは低湿度側に拡大することができる。

また、調整手段は、蒸発器に循環される冷媒の圧力を一定に減圧する定減圧弁を有し、この定減圧弁に可変減圧弁を並列に接続し、可変減圧弁の開度を制御して蒸発温度の検出値を設定温度に調整する制御器を備えた構成にできる。これによれば、蒸発温度の微妙な調整が可能になり、対象室内の温度および湿度の変動をさらに抑制できる。ここで、定減圧弁と可変減圧弁を蒸発器の液側流路に設け、ノーフロスト運転を行うときに定減圧弁を開き、ノーフロスト運転を行わないときに定減圧弁を閉じるようにすれば、冷凍サイクルの膨張弁を、定減圧弁、および可変減圧弁で兼用できる。

上述した調温調湿装置は、蒸発器に対象室内の空気を通流させる送風機と、この送風機の風量を可変させる可変手段とを有することができる。これによれば、風量を変化させて空気の単位流量当たりの蒸発器からの伝熱量を調整できるから、蒸発器の冷却能力、および除湿能力を制御することができる。特に、風量を低下させることで、除湿能力を向上できる。

本発明によれば、対象室の調温調湿を行う冷凍サイクルの蒸発器への着霜を回避でき、かつ、対象室の温度および湿度の変動を抑制できる。

以下、本発明の調温調湿装置および環境試験装置の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態の調温調湿装置の冷凍サイクルの構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態の環境試験装置の構成を示す図である。図３は、本発明の一実施形態の調温調湿装置の構成を示す一部断面図である。

本実施形態の環境試験装置は、図２に示すように、試験室１と、試験室１に組み付けられた調温調室装置３を備えて構成されている。試験室１は、例えば、断熱パネルで形成され、試験試料を搬入、搬出するための扉５が設けられている。

調温調湿装置３は、実際に試験室１内の温度や湿度を調節するユニット７と、ユニット７を制御する制御盤９を有している。ユニット７は、図３に示すように、箱型の筐体１０を備えている。筐体１０は試験室１に連通する吸込口１１および吹出口１２を有している。筐体１０内に、筐体１０内の空気を吹出口１２へ送る送風機１５が設けられている。また、筐体１０内には、冷凍サイクルの蒸発器１３、加熱器１７および加湿器１９が設けられ、冷凍サイクルを備えた冷凍機、加熱器１７および加湿器１９は、制御盤９によって出力が調整され調温調湿可能になっている。加熱器１７は、例えば、電熱ヒータで構成され、加湿器１９は、例えば、水を張った皿に電熱ヒータを取り付けて構成されている。

冷凍サイクルは、図１に示すように、圧縮機２３、凝縮器２５、電子膨張弁２７、蒸発器１３を有して構成されている。圧縮機２３は容量制御が可能なものが用いられている。圧縮機２３の吐出側には、凝縮器２５が接続されている。凝縮器２５の液側流路は、電子膨張弁２７を介して蒸発器１３に連結されている。蒸発器１３のガス側流路は、圧縮機２３の吸入側に接続されている。本実施形態では、凝縮器２５と電子膨張弁２７との間の冷媒流路に、受液器２９が設けられている。また、圧縮機２３の吸引側の冷媒流路に、圧縮機２３の吸入圧力を調整する吸引圧力調整弁３３が設けられている。

本実施形態の特徴は、蒸発器における冷媒の蒸発温度（蒸発圧力）を調整し、蒸発器の蒸発温度の検出値を着霜温度を超える温度に設定された設定温度に制御することにある。この制御を実現するために、蒸発温度を検出する温度計３５と、検出温度に基づいて電子膨張弁２７の開度を制御する制御器３７が設けられている。温度計３５は、例えば、蒸発器１３の液側流路に取り付けられている。

また、電子膨張弁２７をバイパスする冷媒流路３９が設けられ、この冷媒流路３９に定減圧弁である定圧膨張弁４１が設けられている。つまり、電子膨張弁２７と定圧膨張弁４１とが並列に接続されている。定圧膨張弁４１の開度は、圧縮機２３の容量を最大で運転した場合に、蒸発器１３の蒸発温度が蒸発器１３に霜が付着する温度よりも高く、すなわち、着霜温度よりも高く設定された設定温度になる開度に固定されている。この設定温度は、単に０℃に設定するのではなく、霜が空気の熱で溶けることを考慮して、例えば、０〜−５℃に設定することができる。また、冷媒流路３９には、電磁弁４３が設けられている。これにより、電子膨張弁２７のみの運転、あるいは電子膨張弁２７と定圧膨張弁４１を併用する運転に切り替え可能になっている。

このように構成された環境試験装置の動作について説明する。まず、試験室１内の空気は、送風機１５によって吸込口１２から吸い込まれ、加湿器１９、蒸発器１３、加熱器１７を通過することにより、加湿または除湿、および加熱または冷却の空気調和が成され、吹出口１１から試験室１に吹き出される。この空気の温度や湿度は、制御盤９に設定されている目標値に制御される。例えば、試験室１の空気側は、吹出口１１で検出した温度および湿度と目標値との偏差量に応じて加熱器および加湿器の出力が制御（例えば、時間比例によるＰＩＤ制御）される。これにより、試験室１内を任意の条件にし、例えば、恒温恒湿、あるいは一定の変化率で温度や湿度を変化させることができる。

冷凍サイクルは、圧縮機２３で圧縮した冷媒ガスを凝縮器２５で凝縮させ、この凝縮器２５から排出される液冷媒を電子膨張弁２７で減圧して蒸発器１３に導く。蒸発器１３に導かれた液冷媒は、蒸発器１３の周囲を通流する空気と熱交換して蒸発する。これにより、蒸発器１３の周囲の空気が冷却され、あるいは除湿されることになる。蒸発器１３から排出されるガス冷媒は、圧縮機２３に吸入されて循環する。

ここで、制御盤９に設定された温度の目標値が低い（例えば、１０℃以下）と、目標温度まで冷却するために、蒸発器１３の蒸発温度を着霜温度よりも低くしなければならない場合がある。この場合、電磁弁４３を閉じることで、蒸発器１３の蒸発圧力を低減し、蒸発温度を着霜温度以下で運転する、いわゆるフロスト運転を行う。

一方、制御盤９に設定された温度の目標値が比較的高く設定（例えば、温度が１０〜６０℃）されると、蒸発器１３の蒸発温度を着霜温度よりも下げなくても所望の冷却能力や除湿能力を得ることができる。この場合、電磁弁４３を開き、定圧膨張弁４１と電子膨張弁２７を併用する。これにより、蒸発器１３の蒸発温度は、定圧膨張弁４１に設定された設定温度（例えば、０〜−５℃）に調整される。さらに、制御器３７は、電子膨張弁２７の開度を調整して、温度計３５が検出した蒸発温度を、定圧膨張弁の設定温度と同一に設定された設定温度に制御する。この結果、蒸発温度が設定温度に維持される。

このように本実施形態によれば、例えば、試験室１または凝縮器２５の周囲温度の変化などの外乱があっても、電子膨張弁２７のフィードバック制御によって、蒸発温度が着霜しない設定温度に維持されるから、着霜を完全に回避でき、試験室１内の温度および湿度の変動を抑制できる。これにより、環境試験を安定した温度および湿度で長時間行うことができる。

さらに、本実施形態では、蒸発温度を設定温度に維持するように蒸発圧力を制御するから、設定温度を着霜温度に近づけて設定しても着霜することはない。したがって、図４に示すように、ノーフロスト運転の領域を低温度側、および低湿度側に拡大することができる。

また、本実施形態では、蒸発温度の制御を並列に設けた２つの弁のうちの一つ、つまり、電子膨張弁で行うから、蒸発温度の微妙な設定と調整が可能になり、蒸発器に着霜が生じない制御ができる。この場合において、電子膨張弁２７の容量、つまり弁開度に十分余裕があれば、定圧膨張弁４１を併用せずに、電子膨張弁２７の単独制御でノーフロスト運転を行うこともできる。

本実施形態では、送風機１５の風量を調整していないが、これに代えて、送風機１５の風量を可変させる、例えば、インバータなどの可変手段を設けることができる。これによれば、例えば、風量を変化させて蒸発器１３のバイパスファクタを調整できるから、蒸発器１３の除湿能力を制御することができる。特に、ノーフロストで運転できる領域を低湿側に拡大することができるので好ましい。

具体的には、除湿能力を余り必要としない領域、すなわち目標温度における相対湿度が５０％を超える領域では、送風機１５は通常運転（例えば、５０〜９０Hz）し、相対湿度が５０％以下の領域では、設定温度に応じて低速運転（例えば、３０〜４０Hz）切り換えることにより、風量制御して蒸発器のバイパスファクタを小さく変化させて、除湿能力を維持する配慮をしている。また、単に、相対湿度のみを基準に切り替えることに代えて、図５に示すように、試験室１内の温度を考慮して、目標温度が高くなるにつれて低速運転を開始する限界線を低湿度側の領域にずらしてもよい。なお、上記の低速運転による風量制御は、試験室１が目標温度に到達（例えば、目標温度の±１℃以内）してから実施すれば、風量の減少に伴う冷却能力の低下によって温度降下時間に及ぼす悪影響を排除できるので好ましい。

また、本実施形態では、加熱器１７に電熱ヒータを用いたが、これに限らず、出力制御可能であればよい。加湿器１９も同様に、出力制御可能であればよく、本実施形態の蒸発式に限らず、超音波式の加湿器などを用いることができる。また、本実施形態において、例えば、二重管熱交換器を用いて低圧側の冷媒と高圧側の冷媒とを熱交換させて、低圧側の冷媒のガス化を促進させ、高圧側の冷媒を過冷却するなどの周知の技術を適用することもできる。さらに、液冷媒の流路にドライヤやストレーナなどを設けて、冷媒中に含まれる水分や異物を取り除くことができる。また、圧縮機２３の吐き出しガス温度の凝縮温度に対するスーパーヒートを一定に制御するために、いわゆる液インジェクションを行うこともできる。

上述するように、本実施形態によれば、ノーフロスト運転の領域を低温側、および低湿度側に拡大することができ、従来、フロスト運転で行っていた温湿度領域をノーフロスト運転でカバーできる。このため、従来、着霜対策として、クロスフィンチューブ型の蒸発器において、広め（例えば８ｍｍピッチ）に設定していたフィンピッチの間隔を狭くすることができる。これにより小型化を実現できる。なお、クロスフィンチューブのフィンは、フィンに伝熱管を挿入する穴を深絞り加工して、フィンピッチに等しい筒状のカラーハイトを形成し、このカラーハイトの高さで各フィンピッチの間隔を規定するのが好ましい。しかし、フィンピッチ間隔が８ｍｍであると、通常、フィンに用いられる０．１〜０．２ｍｍ厚の銅板あるいはアルミ板では、深絞りの加工の限界からカラーハイトを形成することができず、カラーハイトを別に製作するなどの手間がかかっていた。この点、本実施形態によれば、フィンピッチを通常のフィンで深絞りできる、例えば４ｍｍにできるから製作工程を容易にできる。

本発明の一実施形態の調温調湿装置の冷凍サイクルの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の環境試験装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の調温調湿装置の構成を示す一部断面図である。 縦軸に相対湿度を、横軸に温度を表し、ノーフロスト領域を説明するためのグラフである。 縦軸に目標湿度を、横軸に目標温度を表し、送風機の風量を切り替える限界線を示したグラフである。

符号の説明

１３ 蒸発器
２３ 圧縮機
２５ 凝縮器
２７ 電子膨張弁
３５ 温度計
３７ 制御器
４１ 定圧膨張弁
４３ 電磁弁

Claims (5)

1. 冷凍サイクルを構成する蒸発器に対象室内の空気を循環させて、該対象室内の温度と湿度を制御する冷凍機を備えた調温調湿装置において、前記蒸発器における冷媒の蒸発温度を調整して前記蒸発器の蒸発温度の検出値を着霜温度を超える温度に設定された設定温度に調整する調整手段を設けたことを特徴とする調温調湿装置。
2. 前記調整手段は、前記蒸発器に循環される冷媒の圧力を減圧する定減圧弁と、該定減圧弁に並列に接続された可変減圧弁と、該可変減圧弁の開度を制御して前記蒸発温度の検出値を前記設定温度に制御する制御器とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の調温調湿装置。
3. 前記蒸発器に前記対象室の空気を通流させる送風機と、該送風機の風量を可変させる可変手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の調温調湿装置。
4. 前記対象室の空気を加熱する加熱器と、前記対象室の空気を加湿する加湿器とを備えてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の調温調湿装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の調温調湿装置を備えてなる環境試験装置。
   

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