JP2006284063A - 恒温恒湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境試験器として好適であり、無駄がなく、より省エネルギーである恒温恒湿装置の開発を課題とする。
【解決手段】 空調通路５には、空気冷却用熱交換器６、加熱ヒータ７、加湿器８及びファン１０が配されている。空気冷却用熱交換器６には、液体冷媒（ブライン）が流通する。液体冷媒は、設定環境における露点をＤｐとして、

となる様に温度制御され、庫内の温度を低下させる際に、熱交換器の温度が設定環境における露点の近傍となる様に制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所定の庫内や室内を目標とする温度及び湿度に調整可能な恒温恒湿装置に関するものであり、環境試験装置として使用されることが望ましいものである。

機器や部品等の耐久性をテストする方策として環境試験が知られている。環境試験は、恒温恒湿装置又は環境試験装置と称される装置を使用して行われる。ここで恒温恒湿装置とは特許文献１の様にヒータと冷却装置及び加湿装置を備え、庫内に所望の環境を作るものである。例えば、温度６０℃、湿度８０％といった温度と湿度の環境を人工的に作る。

従来技術の恒温恒湿装置で採用する冷却装置は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであり、蒸発器（熱交換器）を庫内や外付けの空調機内に設置して庫内の空気を冷却している。また従来技術の恒温恒湿装置で採用する冷却装置では、蒸発器の表面で水蒸気を凝縮させて減湿している。

特開２０００−１１１１２７号公報

従来技術の恒温恒湿装置は、性能的には申し分のないものであるが、消費電力を下げたいという市場の要求がある。即ち市場では、より省エネ型の恒温恒湿装置が求められている。特に恒温恒湿装置は、環境試験に使用される場合が多く、長期に渡って連続運転されることが多いので、市場においてはより省エネ型の装置が待望されている。

そこで本発明者は、従来技術の恒温恒湿装置におけるエネルギーロスを検討した。その結果、従来技術の恒温恒湿装置では、冷却装置のエネルギーが、庫内温度を下げるためだけではなく、庫内の水蒸気の、必要以上の凝縮にも消費されていることが判った。つまり従来技術の恒温恒湿装置では、庫内の顕熱を下げるだけでなく、潜熱を低下させるのにもエネルギーが消費され、エネルギーの無駄があることが判明した。

即ち従来技術の恒温恒湿装置で採用する冷却装置は、前記した様に相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであり、蒸発器（熱交換器）を庫内に設置して庫内の空気を冷却している。
そのため庫内の空気と熱交換を行う部位（蒸発器）の温度は相当に低いものとなり、庫内の空気に含有される水蒸気を凝縮させる。その結果、庫内の温度だけでなく湿度も低下してしまう。そのため従来技術の恒温恒湿装置では、湿度を維持するために加湿装置によって庫内に水蒸気を供給する必要があった。

以下、図１に示す飽和水蒸気曲線を参照しつつ説明する。
図１は、飽和水蒸気曲線と、庫内温度及び庫内湿度の変化を示すグラフである。グラフにおいて、ポイントＡは、現在の環境であり、現在における庫内温度及び含有する水蒸気量を示している。ポイントＡは、温度８０℃、相対湿度９０％の環境である。
同Ｂは、目標とする環境（以下 設定環境と称する場合がある）であり、設定環境における庫内温度及び含有する水蒸気量を示している。ポイントＢは、温度７５℃、相対湿度９０％の環境である。即ち設定環境は、現状の環境と相対湿度が同じで温度だけが低い。
なお飽和水蒸気曲線は、温度と絶対湿度、即ち気温と当該気温において一定容積に含み得る水蒸気の質量との関係を示すグラフであるから、一般に言う湿度（相対湿度）は、当該温度におけるグラフ上のＹ軸の値と、ポイントにおけるＹ軸の値の比率である。

従来技術の恒温恒湿装置によると、庫内の環境は、破線の様な経過を経て目標たるポイントＢの環境に至る。即ち庫内温度を低下すべく冷却装置を運転すると、熱交換器の表面温度が低いために熱交換器の表面で水蒸気が凝縮し、温度と共に湿度も低下してしまう。具体的には庫内の環境は、一旦ポイントＣに至る。即ちポイントＣは庫内温度が目標温度であり、湿度が目標値よりも低い環境である。
そして従来技術の恒温恒湿装置では、加湿装置を運転して庫内に水蒸気を供給し、湿度を上昇させて設定環境を作りだす。

そのため従来技術の恒温恒湿装置は、冷却装置のエネルギーが、庫内温度を下げるためだけではなく、庫内の水蒸気を凝縮するためにも消費され、無駄があることが判った。
そこで本発明は、従来技術の上記した要望に応えるため、より無駄がなく、より省エネルギーである恒温恒湿装置の開発を課題とする。

以下、課題を解決するための手段を説明するが、本明細書では、「熱交目標温度」の文言は、熱交換器そのものの温度を指す場合と、熱交換器に流通させる冷媒の温度を指す場合がある。

上記した要望に応えることができる請求項１に記載の発明は、温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記熱交換器の温度を熱交目標温度に制御するものであり、前記熱交目標温度は前記目標とする環境における露点Ｄｐの近傍であることを特徴とする恒温恒湿装置である。

本発明では、「熱交目標温度」の文言は、熱交換器そのものの温度を指す。
請求項１に記載の発明では、庫内や室内の温度を低下させる際に、熱交換器の温度を、設定環境における露点の近傍に制御する。
そのため熱交換器における水蒸気の凝縮が少なく、潜熱の低下に消費されるエネルギーが少ない。

同様の思想に基づく請求項２に記載の発明は、温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し当該熱交換器に液体冷媒を循環させるものであり、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記液体冷媒の温度を熱交目標温度に制御するものであり、前記熱交目標温度は前記目標とする環境における露点Ｄｐの近傍であることを特徴とする恒温恒湿装置である。

本明細書では、「熱交目標温度」の文言は、熱交換器に流通させる冷媒の温度を指す。本発明の恒温恒湿装置は、熱交換器に液体冷媒を循環させて熱交換器の温度を低下させるものであるが、庫内や室内の温度を低下させる際に、冷媒の温度を、設定環境における露点の近傍に制御する。
そのため本発明では、熱交換器の表面温度が設定環境における露点に近いものとなり、熱交換器の表面における水蒸気の凝縮が少なく、潜熱を低下させるのに消費されるエネルギーが少ない。

請求項３に記載の発明は、熱交目標温度は次の式を満足する範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の恒温恒湿装置である。
本発明においては、「熱交目標温度」は、熱交換器そのものの温度又は熱交換器に流通させる冷媒の温度である。

請求項３に記載の発明では、熱交換器の温度又は熱交換器に流通させる冷媒の温度を、目標とする環境における露点Ｄｐよりも僅かに低い温度に制御する。そのため所定空間内の空気は僅かに除湿される。従って本発明によると、所定空間内の湿度を調整することもできる。また熱交目標温度は、露点に対して僅かに低いに過ぎないので、潜熱の低下に消費されるエネルギーは少ない。

請求項４に記載の発明は、温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し当該熱交換器に液体冷媒を循環させるものであり、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記液体冷媒の温度を制御するものであり、目標とする環境における温度をＴｏとし、目標とする環境における露点をＤｐとしたとき、液体冷媒の目標温度は次の式を満足する範囲にあることを特徴とする恒温恒湿装置である。

本発明の恒温恒湿装置についても、熱交換器の表面温度を目標とする環境における露点に近いものとする技術思想に基づくものである。
即ち熱交換器の表面温度（Ｔｆとする）は、少なくとも内部を流れる冷媒の温度（Ｔｗｏとする）よりも高い。また熱交換器の表面温度は、少なくとも目標とする環境における温度Ｔｏよりも低い。従って熱交換器の表面温度Ｔｆは、設定環境における温度Ｔｏと内部を流れる冷媒の温度Ｔｗｏの中間であり、（Ｔｏ＋Ｔｗｏ）／２の前後４℃程度である。従って次の式が成立する。

そして熱交換器の表面温度Ｔｆが目標とする環境における露点Ｄｐの近傍となる様に制御するから次の式が成立する。

式４を変形すると次の式が導かれる。

誤差等を考慮すると、冷媒の温度Ｔｗｏが次の範囲にあれば、熱交換器の表面温度が、目標とする環境における露点Ｄｐの近傍となり、潜熱の低下に消費されるエネルギーが少ないものとなる。

また請求項５に記載の発明は、冷却手段は、液体冷媒を循環させる二次冷却回路と、熱交換器を介して液体冷媒を冷却する一次側温調回路を有し、一次側温調回路は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであって冷媒の蒸発温度と発揮される冷凍能力Ｑとの間に所定の関係があり、前記所定空間内の温度を低下させる際に冷媒の蒸発温度を制御し、このときの冷媒の蒸発温度の目標値ＥＴは、目標とする環境における温度をＴｏとし、目標とする環境における露点をＤｐ、前記熱交換器の熱交換面積をＡ、熱交換効率をＫとしたとき、次の式を満足する範囲にあ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恒温恒湿装置である。

本発明の恒温恒湿装置は、冷凍サイクルを利用して液体冷媒を冷却し、この冷却された液体冷媒を利用して庫内又は室内を冷却するものである。また一般に液体冷媒を使用して庫内を冷却する恒温恒湿装置では、冷凍サイクル側の蒸発温度を一定に保ち、圧縮器をオンオフ制御することによって液体冷媒の温度を制御するが、本発明は、これに加えて、あるいはこれに代わって冷媒の蒸発温度を適切な温度に制御する機能を備える。
即ち従来の恒温恒湿装置は、能力に余裕のある冷凍機を搭載し、これをオンオフして液体冷媒の温度を制御していた。そのため冷凍機は必要以上に大きなものであり、消費電力も大きいという問題があった。そこで本発明は、冷凍機のオンオフ回数を減らして冷凍機の能力を最大限活用し、冷凍機の小型化と省エネルギー化を実現することを目的としている。

ここで相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行する装置では、一般に蒸発温度と発揮される冷凍能力Ｑとの間に一対一に対応する所定の関係がある。具体的には膨張弁等を絞ると蒸発温度が低下するが冷媒の流量自体が減少するので発揮される冷凍能力Ｑは低下する。一方膨張弁等を開くと蒸発温度が上昇するが冷媒の流量自体が増加するので発揮される冷凍能力Ｑは増加する。
本発明は、冷凍機の上記した性質を利用して冷媒（一次側）の温度を制御し、熱交換器の表面温度が、目標とする環境における露点Ｄｐの近傍とる様に調整するものである。

本発明の恒温恒湿装置は、従来に比べて消費電力が少なく、省エネルギーである。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図２は、本発明の実施形態の恒温恒湿装置の概念図である。
図２に示す恒温恒湿装置１は、断熱材１５によって囲まれた恒温恒湿槽（所定空間）２を備える。恒温恒湿槽２の内部は、図の様に試験片配置室３と、空調通路５に分かれている。空調通路５は、下部側と上部側に試験片配置室３と連通する開口があり、試験片配置室３内であって、空調通路５の上部の開口の近傍に室内温度検知センサー１１と湿度検知センサー１２が設けられている。
室内温度検知センサー１１は具体的には熱電対である。

空調通路５には、空気冷却用熱交換器６、加熱ヒータ７、加湿器８及びファン１０が配されている。
空気冷却用熱交換器６は、後記する冷却装置２０の一部であり、内部に液体冷媒（ブライン）が流通する。
加熱ヒータ７は、公知の電気ヒータである。加湿器８は、蒸気を供給するものである。ファン１０は、公知のものである。

本実施形態の恒温恒湿装置１では、ファン１０によって恒温恒湿槽２内の空気が循環して空調通路５を通過し、所望の環境が作られる。即ち恒温恒湿槽２内の空気はファン１０によって空調通路５の下部側から吸入され、空調通路５を通過して上部側の開口に抜ける。このとき、空気は空気冷却用熱交換器６を通過し、さらに加熱ヒータ７に触れる。また空気は加湿器８の近傍を通過する。

恒温恒湿装置１では、室内温度検知センサー１１と湿度検知センサー１２によって試験片配置室３内の温度と湿度が監視されている。そして試験片配置室３内の温度が設定環境の温度よりも低い場合には加熱ヒータ７に通電して昇温され、試験片配置室３内の温度が設定環境の温度よりも高い場合には空気冷却用熱交換器６に液体冷媒（ブライン）を流して空気冷却用熱交換器６の温度を低下させ、流通する空気から熱を奪う。
また試験片配置室３内の湿度が設定環境の湿度よりも低い場合には加湿器８から蒸気を噴射して通過する空気に混入する。

次に本実施形態で採用する冷却装置２０について説明する。
本実施形態で採用する冷却装置２０は、冷却された液体冷媒（ブライン）を前記した空気冷却用熱交換器６に流して恒温恒湿槽２内を冷却するものであり、大きく二系統に分かれている。即ち本実施形態で採用する冷却装置２０は、液体冷媒（ブライン）が流れる二次冷却回路２１と、気・液間で相変化する冷媒が流れる一次冷却回路２２を備えている。

二次冷却回路２１は、図２の様に冷媒タンク２３、ポンプ２５、３方弁２６及び前記した空気冷却用熱交換器６によって構成されている。
そして冷媒タンク２３はポンプ２５の吸い込み側に接続され、ポンプ２５の吐出側は３方弁２６の一つの開口（第一開口）に接続されている。３方弁２６の残る２開口は、それぞれ空気冷却用熱交換器６と冷媒タンク２３に接続されている。即ち３方弁２６の第二開口は、空気冷却用熱交換器６の入り側開口に接続され、第三開口は、冷媒タンク２３に接続されている。
また空気冷却用熱交換器６の出側開口は、冷媒タンク２３に接続されている。

一次冷却回路２２は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであり、図示しない圧縮器、凝縮器、膨張弁を備えている。そして一次冷却装置２２の蒸発器２７は、冷媒タンク２３に内蔵されている。

従って、一次冷却装置２２の図示しない圧縮器を起動すると、冷媒ガスが圧縮され、図示しない凝縮器で液化される。そして膨張弁を経て蒸発器２７に入り、低温を作る。
本実施形態の恒温恒湿装置１では、冷媒タンク２３内に液体冷媒温度検知センサー２８が設けられ、液体冷媒温度検知センサー２８が検知する温度が所定の温度となる様に図示しない圧縮器がオンオフ制御される。

また二次冷却回路２１については、ポンプ２５が常時運転されており、３方弁２６を切り換えることによって空気冷却用熱交換器６に流れる液体冷媒を断続する。
即ち恒温恒湿装置１では、室内温度検知センサー１１によって試験片配置室３内の温度が監視されており、試験片配置室３内の温度が設定環境の温度よりも低い場合には３方弁２６が冷媒タンク２３側に切り換えられる。その結果、液体冷媒は、外部配管を経由して循環し、冷媒タンク２３内の冷媒が攪拌される。
一方、試験片配置室３内の温度が設定環境の温度よりも高い場合には３方弁２６を空気冷却用熱交換器６側に切り換える。その結果、空気冷却用熱交換器６に液体冷媒（ブライン）が流れ、空気冷却用熱交換器６の温度が低下し、試験片配置室３内の温度が降下する。

以上、恒温恒湿装置１の構成を説明したが、本実施形態の恒温恒湿装置１は、特有の温度制御方式を採用している。
図３は、本実施形態の恒温恒湿装置１の制御装置のブロック図である。
本実施形態で採用する温度制御装置３０は、マイクロコンピュータ等によって構成され、室内温度検知センサー１１の信号と、湿度検知センサー１２の信号と、液体冷媒温度検知センサー２８の信号が入力されている。
また温度制御装置３０には、設定器３１が接続されている。設定器３１は、設定環境の温度や湿度を入力する装置である。
一方、温度制御装置３０の出力側には、３方弁駆動回路３２と、圧縮器駆動回路３３が接続されている。

温度制御装置３０には、本実施形態に特有の構成として露点を算出するプログラムが格納されている。具体的には、設定器３１で設定された設定環境における露点が算出される。例えば、設定環境が図１のポイントＢであり、温度７５℃、湿度９０％の環境である。ならばこの環境における露点Ｄｐが７３．５℃と算出される。
そして液体冷媒温度検知センサー２８の信号を監視し、この温度が、前記した露点よりも僅かに低温となる様に一次冷却器の圧縮器をオンオフ制御する。
前記した「僅かに低温」とは具体的には４℃以内である。
即ち本実施形態では、液体冷媒温度検知センサー２８が検知する液体冷媒温度Ｔｂが次の式を満足する目標値となる様に圧縮器がオンオフ制御される。

またより好ましくは、液体冷媒温度検知センサー２８が検知する液体冷媒温度Ｔｂが次の式を満足する目標値となる様に圧縮器がオンオフ制御される。

また上記した式に代わって次の式を採用してもよい。

より推奨される液体冷媒温度Ｔｂの範囲は、次の式で表される範囲である。

そして室内温度検知センサー１１が検知する試験片配置室３内の温度が目標とする温度よりも高い場合には、温度制御装置３０から３方弁駆動回路３２に対して所定の制御信号が発信され、３方弁２６が切り換えられて上記した目標温度に制御された液体冷媒が空気冷却用熱交換器６に流される。

ここで前記した液体冷媒の温度は、設定環境における露点に近く、これよりも僅かに低い温度であるから、空気冷却用熱交換器６の表面温度は、設定環境における露点に比べて僅かに低い温度を目標として降下する。この温度は、現在の庫内温度よりも低く、設定温度よりもさらに低いため庫内の温度は設定温度となる様に低下して行く。ただし空気冷却用熱交換器６の表面温度は、設定環境における露点から僅かに低いものであるから、庫内の湿度が設定環境の湿度を大きく下回ることはない。
前記した図１を参照しつつ従来技術の場合と比較すると、従来技術の恒温恒湿装置では、破線の様に一旦ポイントＣの環境となり、湿度が大きく低下したのに対し、本実形態の恒温恒湿装置１では、実線の様により直線的にポイントＡからポイントＢに向かう。そのため水蒸気の凝縮が少なく、潜熱を低下させるのに要する無駄なエネルギーが少ない。

上述した実施形態では冷媒タンク２３に液体冷媒温度検知センサー２８を設け、冷媒タンク２３内の冷媒の温度が設定環境の露点近傍となる様に制御したが、空気冷却用熱交換器６の表面温度を検知し、当該温度が露点近傍となる様に制御してもよい。
図４は、本発明の第二実施形態の恒温恒湿装置の概念図である。図５は、図４に示す恒温恒湿装置の制御装置のブロック図である。
図４に示す恒温恒湿装置５０では、空気冷却用熱交換器６の表面に、温度センサー５１が取り付けられており、当該温度センサー５１によって空気冷却用熱交換器６の表面温度が直接的に検出される。
そして当該表面温度センサー５１の信号は、図５に示すように制御装置３０に入力される。本実施形態では、空気冷却用熱交換器６の表面温度Ｔｓが前記した露点よりも僅かに低温となる様に一次冷却器の圧縮器をオンオフ制御する。
即ち本実施形態では、表面温度センサー５１が検知する空気冷却用熱交換器６の表面温度Ｔｓが次の式を満足する目標値となる様に圧縮器がオンオフ制御される。

またより好ましくは、表面温度センサー５１が検知する空気冷却用熱交換器６の表面温度Ｔｓが次の式を満足する目標値となる様に圧縮器がオンオフ制御される。

上記した式に代わって次の式を採用してもよい。

より推奨される空気冷却用熱交換器６の表面温度Ｔｓの範囲は、次の式で表される範囲である。

またさらに異なる実施形態として、液体冷媒の温度を前記した露点よりも相当に低い温度とし、空気冷却用熱交換器６の表面に、温度センサー５１を取り付け、温度センサー５１の信号に基づいて３方弁２６を切り換えて空気冷却用熱交換器６に流れる液体冷媒をオンオフし、空気冷却用熱交換器６の表面温度が上記した温度となる様に制御してもよい。

また上記した実施形態では、いずれも液体冷媒の温度が一定となる様に制御したが、液体冷媒の温度や、相変化する冷媒の温度等を変化させて空気冷却用熱交換器６の表面温度が上記した温度となる様に制御してもよい。

以下、相変化する冷媒の温度を変化させて空気冷却用熱交換器６の表面温度が上記した温度となる様に制御する方策について説明する。
図６は、本発明の第３実施形態の恒温恒湿装置の概念図である。図７は、図６に示す恒温恒湿装置の制御装置のブロック図である。

本実施形態の恒温恒湿装置６０では、一次冷却装置２２は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであり、図６の様に圧縮器６１、凝縮器６２、膨張弁６３を備えている。膨張弁６３は開度を調節することができる。また膨張弁６３の下流側には蒸発温度検知センサー６５が設けられている。蒸発温度検知センサー６５の信号は、図７の様に制御装置に入力される。また本実施形態では、制御装置は膨張弁制御回路（蒸発温度調整回路）６６に接続されており、制御装置によって膨張弁６３の開度が調節される。
また本実施形態では、一次冷却装置２２の特性、具体的には蒸発温度と、発揮される冷凍能力Ｑとの間の関係が制御装置に記憶されている。両者の関係は、数式、あるいはテーブルの形で記憶されている。

本実施形態の恒温恒湿装置６０では、試験片配置室３内の温度を低下させる際に、膨張弁６３の開度を調節して冷媒の蒸発温度を制御する。このときの冷媒の蒸発温度の目標値ＥＴは、設定環境における温度をＴｏとし、設定環境における露点をＤｐとし、一次冷却装置２２の蒸発器（熱交換器）２７の熱交換面積をＡ、熱交換効率をＫとしたとき、次の式を満足する範囲にある。

蒸発器（熱交換器）２７の熱交換面積Ａは、個々の恒温恒湿装置６０によって決まる定数である。なお恒温恒湿装置６０を設計する際には、蒸発器（熱交換器）２７は、恒温恒湿装置６０を実際に使用する際に想定される冷凍能力（冷凍熱量）の最大量Ｑｍａｘが熱交換し得る熱交換面積Ａのものを選定することが望ましい。
具体的には、次の式によって算出される熱交換面積Ａに近いものが選定される。

従って

ここでＥＴｍａｘは、冷凍能力がＱｍａｘの時の冷媒の蒸発温度である。
Ｔｗｍａｘはその時の液体熱媒体の温度である。

本実施形態の恒温恒湿装置６０は、冷凍サイクルを利用して液体冷媒を冷却し、この冷却された液体冷媒を利用して試験片配置室３を冷却するものである。また一般に液体冷媒を使用して庫内を冷却する恒温恒湿装置では、冷凍サイクル側の蒸発温度を一定に保ち、圧縮器６１をオンオフ制御することによって液体冷媒の温度を制御するが、本実施形態では、これに加えて、あるいはこれに代わって冷媒の蒸発温度を適正に保つ機能を備える。 即ち従来の恒温恒湿装置は、能力に余裕のある冷凍機を搭載し、これをオンオフして液体冷媒の温度を制御していた。そのため冷凍機は必要以上に大きなものであり、消費電力も大きいという問題があった。そこで本実施形態は、冷凍機のオンオフ回数を減らして冷凍機の能力を最大限活用し、冷凍機の小型化と省エネルギー化を実現することを目的としている。

ここで相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行する装置では、一般に蒸発温度と、発揮される冷凍能力Ｑとの間に一対一に対応する所定の関係がある。具体的には膨張弁等を絞ると蒸発温度が低下するが冷媒の流量自体が減少するので発揮される冷凍能力Ｑは低下する。一方膨張弁等を開くと蒸発温度が上昇するが冷媒の流量自体が増加するので発揮される冷凍能力Ｑは増加する。
冷凍能力と蒸発温度との関係は、図８のグラフの様である。即ち図８は、冷凍機における冷媒の蒸発温度と冷凍能力との関係を示すグラフである。

本実施形態は、冷凍機の上記した性質を利用して冷媒（一次側）の温度を制御し、熱交換器の表面温度が、設定環境における露点Ｄｐの近傍となる様に調整するものである。以下、具体的な理論について説明する。
一次側の冷媒から二次側の冷媒に移動する熱量は、熱交換器の伝熱面積と、両冷媒の温度差に比例する。
従って任意の温度における冷凍能力をＱｎとし、一次冷却回路における相変化する冷媒と液体冷媒との熱交換面積をＡ、熱交換効率をＫ、冷媒の蒸発温度をＥＴｎとすると、次の式が成立する。

また前記した様に、そして熱交換器の表面温度Ｔｆが設定環境における露点Ｄｐの近傍となる様に制御するための冷媒の温度Ｔｗｏは前記した数６の式の通りであり、これを再掲すれば次の通りである。

さらにＴｗｎ＝ＴｗｏとしてＴｗｎとＴｗｏを消去すると、次の式となる。

ここで前記した様に蒸発温度と、発揮される冷凍能力Ｑとの間に一対一に対応する所定の関係があり、制御装置にはその関係が記憶されているから、記憶された蒸発温度・冷凍能力Ｑの関係と上記した式とによって蒸発温度ＥＴｎを決定することができる。そして本実施形態では、算出された蒸発温度ＥＴｎとなる様に、膨張弁の開度が調節される。
そのため本実形態の恒温恒湿装置では、空気冷却用熱交換器６の表面温度が設定環境における露点に近いものとなり、空気冷却用熱交換器６の表面で水蒸気凝縮が少なく、庫内の湿度が設定環境の湿度を大きく下回ることはない。
そのため本実施形態においても、図１の実線の様に、より直線的にポイントＡからポイントＢに向かい、そのため水蒸気の凝縮が少なく、潜熱を低下させるのに要する無駄なエネルギーが少ない。

飽和水蒸気曲線と、庫内温度及び庫内湿度の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態の恒温恒湿装置の概念図である。 本実施形態の恒温恒湿装置１の制御装置のブロック図である。 本発明の第二実施形態の恒温恒湿装置の概念図である 図４に示す恒温恒湿装置の制御装置のブロック図である。 本発明の第三実施形態の恒温恒湿装置の概念図である。 図６に示す恒温恒湿装置の制御装置のブロック図である。 冷凍機における冷媒の蒸発温度と冷凍能力との関係を示すグラフである。

符号の説明

２ 恒温恒湿漕
３ 試験片配置室
５ 空調通路
６ 空気冷却用熱交換機
７ 加熱ヒータ
８ 加湿器
１０ ファン
１１ 室内温度検知センサー
１２ 湿度検知センサー
１５ 断熱材
２０ 冷却装置
２１ 二次冷却回路
２２ 一次冷却回路
２３ 冷媒タンク
２５ ポンプ
２６ ３方弁
２７ 蒸発器
２８ 液体冷媒温度検知センサー

Claims (5)

1. 温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記熱交換器の温度を熱交目標温度に制御するものであり、前記熱交目標温度は前記目標とする環境における露点Ｄｐの近傍であることを特徴とする恒温恒湿装置。
2. 温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し当該熱交換器に液体冷媒を循環させるものであり、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記液体冷媒の温度を熱交目標温度に制御するものであり、前記熱交目標温度は前記目標とする環境における露点Ｄｐの近傍であることを特徴とする恒温恒湿装置。
3. 熱交目標温度は次の式を満足する範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の恒温恒湿装置。
   

   
4. 温度検知手段と湿度検知手段と冷却手段を備え、所定空間内の環境が目標とする温度及び湿度となる様に調整可能な恒温恒湿装置において、冷却手段は前記空間内の空気と熱交換を行う熱交換器を有し当該熱交換器に液体冷媒を循環させるものであり、前記所定空間内の温度を低下させる際に、前記液体冷媒の温度を制御するものであり、目標とする環境における温度をＴｏとし、目標とする環境における露点をＤｐとしたとき、液体冷媒の目標温度は次の式を満足する範囲にあることを特徴とする恒温恒湿装置。
   

   
5. 冷却手段は、液体冷媒を循環させる二次冷却回路と、熱交換器を介して液体冷媒を冷却する一次側温調回路を有し、一次側温調回路は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する冷凍サイクルを実行するものであって冷媒の蒸発温度と発揮される冷凍能力Ｑとの間に所定の関係があり、前記所定空間内の温度を低下させる際に冷媒の蒸発温度を制御し、このときの冷媒の蒸発温度の目標値ＥＴは、目標とする環境における温度をＴｏとし、目標とする環境における露点をＤｐ、前記熱交換器の熱交換面積をＡ、熱交換効率をＫとしたとき、次の式を満足する範囲にあ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恒温恒湿装置。
   

   

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