JP2007162973A - 空調装置及び環境試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、幅広い温度領域に対応することができ、且つ、消費電力の少ない空調装置及び環境試験装置を提供すること課題とする。
【解決手段】上記課題を解決するため、本発明は、冷却器として、間接式冷却器１２と直膨式冷却器１３を備えており、前記間接式冷却器１２は、冷媒たるブラインを循環させて熱交換を行い、前記直膨式冷却器１３は、蒸発器であり、圧縮機１５、凝縮器１６、及び膨張手段１７と共に一連の冷凍回路１９を構成し、前記冷凍回路１９を循環し相変化する冷媒の潜熱を利用して熱交換を行うことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、幅広い温度領域に渡って温度を調節することができ、且つ、消費電力の少ない空調装置に関するものである。また、本発明は、幅広い温度領域に渡って庫内温度を変化させることができ、且つ、消費電力の少ない環境試験装置に関するものである。

製品や素材等の性能や耐久性を試験する装置として、環境試験装置が知られている（特許文献１，２）。環境試験装置は、恒温恒湿槽や環境試験室を備え、これらの内部の温度や湿度等を所望の試験環境に調整するものである。
環境試験の内容はまちまちであり、被試験物を低温環境に置く場合もあれば、高温環境に晒す場合もある。あるいは低温環境から高温環境に変化させたり、逆に高温環境から低温環境に変化させる場合もある。
そのため環境試験装置に装備される空調装置は、低温領域から高温領域に渡って広く温度調節できることが必要である。
この様な理由から環境試験装置に装備される空調装置は、低温環境を作るための冷却器と高温環境を作るためのヒータが内蔵されている場合が多い。
低温環境を作るための冷却器としては、直膨式冷却器と間接冷却器が知られている。直膨式冷却器は、蒸発器であり、圧縮機、凝縮器及び膨張手段と共に一連の冷凍回路を構成して、前記冷凍回路を循環し相変化する冷媒の潜熱を利用して熱交換を行う。また、間接式冷却器は、低温のブラインを循環させ熱交換を行う。
特開２００１−２６４２３９号公報 特開２００３−１２１３４０号公報

環境試験は長時間に渡って連続的に行われる場合も多く、その場合には消費する電力が相当に大きなものとなる。そのため消費電力の少ない環境試験装置の開発が望まれている。
前記直膨式冷却器は、比較的容易に表面温度を０℃（氷点）以下にすることができるため、幅広い温度領域に対応することができるが、消費電力が大きい。一方、前記間接式冷却器は、低温領域（常温近傍から５℃程度まで）では、循環ポンプを使用するだけであるため消費電力は少ないが、極低温領域（５℃以下）では、ブラインの温度を下げる必要があるため、電力消費が大きくなる。また、ブラインとしてエチレングリコール等の有機ブラインが知られているが、排出時の環境への影響が問題となる。

そこで、本発明は、幅広い温度領域に対応することができ、且つ、消費電力の少ない空調装置を提供することを課題とする。また、本発明は、幅広い温度領域に対応することができ、且つ、消費電力の少ない環境試験装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、冷却器として、間接式冷却器と直膨式冷却器を備えており、前記間接式冷却器は、冷媒たるブラインを循環させて熱交換を行い、前記直膨式冷却器は、蒸発器であり、圧縮機、凝縮器、及び膨張手段と共に一連の冷凍回路を構成し、前記冷凍回路を循環し相変化する冷媒の潜熱を利用して熱交換を行うことを特徴とする空調装置である。

これにより、間接式冷却器を使用して電力の消費を抑えることができ、直膨式冷却器を使用して幅広い温度領域での温度の制御を可能とする空調装置を提供することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、温度領域を極低温領域と、低温領域及び高温領域に分け、極低温領域については直膨式冷却器を使用し、低温領域については間接式冷却器を使用することを特徴とする。

これにより、低温領域については間接式冷却器を使用するため、電力の消費を抑えることができ、極低温領域については直膨式冷却器を使用するため、幅広い温度領域に渡って温度を調節することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、湿度の制御に間接式冷却器を使用することを特徴とする。

これにより、湿度の制御時における消費電力を低減させることができる。

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、間接式冷却器の表面温度を露点の前後２℃の範囲内とすることを特徴とする。

これにより、間接式冷却器の表面での結露が生じにくくなるため、除湿することなく、温度だけを調節することができる。また、間接式冷却器は、表面温度を一定に保つことが容易であるため、表面温度を下げ過ぎて、余分に除湿をしてしまい、加湿が必要となるようなこともない。すなわち、効率のよい温度及び湿度の制御ができるため、電力の消費を抑えることができる。なお、除湿を行う場合には、間接式冷却器の表面温度を露点よりも低くすればよい。例えば、露点より５℃低く設定することができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、直膨式冷却器を含む冷凍回路の一部が分岐されて第二膨張手段及び第二蒸発器が取り付けられ、第二蒸発器によって間接式冷却器のブラインの温度を調節することを特徴とする。

これにより、使用する部品の数を減らすことができるため、空調装置を小型化することができ、制作費を安くすることができる。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の空調装置が搭載された環境試験装置である。

これにより、幅広い温度領域に渡って温度を調節することができ、且つ消費電力の少ない環境試験装置を提供することができる。

本発明の空調装置及び環境試験装置は、試験室等を、極低温領域に降下させる場合には、直膨方式冷却器を使用できるため、幅広い領域に渡って温度を調節することができる。また、間接式冷却器によって試験室等の温度を降下させることができるため、消費電力を低減させることができる。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の環境試験装置の斜視図である。図２は、図１の環境試験装置に付属する空調装置の作動原理図である。図３は、図１の環境試験装置の動作を示すフローチャートである。
図１において、１は本発明の実施形態の環境試験装置を示す。環境試験装置は、公知のそれと同様に内部に恒温恒湿槽２を備え、当該恒温恒湿槽２を空調する空調装置３を備えている。
空調装置３は、一連の空気流路５を有し、当該空気流路５は、入り側ダクト６及び出側ダクト７によって恒温恒湿槽２と連通している。

そして本実施形態では、空気流路５内にファン１０、ヒータ１１、間接式冷却器１２及び直膨式冷却器１３が内蔵されている。
ここで、ファン１０、ヒータ１１及び直膨式冷却器１３は、公知のそれと同一である。即ちファン１０は、恒温恒湿槽２内の空気を取り込み、空気流路５を通過させて恒温恒湿槽２に戻す役割をするものである。ヒータ１１は電気ヒータであり、恒温恒湿槽２内の温度を昇温したい場合に使用する。

直膨式冷却器１３は、具体的には蒸発器であり、圧縮機１５、凝縮器１６及び膨張手段１７と共に一連の冷凍回路１９（冷凍機）を構成する。膨張手段１７としては、例えば、膨張弁やキャピラリチューブを使用することができる。
また、本実施形態において、冷凍機の能力は、インバータにより制御されるが、膨張手段１７に電子膨張弁を用いて制御してもよい。
冷凍回路１９には、相変化する冷媒が循環し、冷媒は圧縮、凝縮、膨張、蒸発を繰り返して直膨式冷却器１３の温度を低下させる。直膨式冷却器１３の表面温度は、０℃（氷点）を下回る。

間接式冷却器１２は、排出時の環境への影響を考慮して、水を主体とする冷媒を循環させるものであり、水タンク２０と循環配管２４によって接続されている。循環配管２４は、水タンク２０から間接式冷却器１２に冷媒を供給する入側冷媒配管２１と、間接式冷却器１２から水タンク２０側に冷媒を戻す出側冷媒配管２２によって構成されている。
また入側冷媒配管２１には供給側電磁弁（開閉弁）２６が設けられ、出側冷媒配管２２には戻り側電磁弁（開閉弁）２５が設けられている。

循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５の間の部位に、給水配管２７、空気導入配管２８、循環ポンプ３０、圧力センサー３１及び排水用電磁弁３５が設けられている。この内、循環ポンプ３０と、圧力センサー３１、給水配管２７、空気導入配管２８は、供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５の間のいずれの位置にあってもよいが、本実施形態では、一例として入側冷媒配管２１に取り付けられている。
給水配管２７及び空気導入配管２８は、循環配管２４に枝管を設けて取り付けられている。また給水配管２７には給水用電磁弁３３が設けられ、空気導入配管２８には空気供給用電磁弁３２が設けられている。

また空気供給用電磁弁３２は、空気源４５に接続されており、空気供給用電磁弁３２を開くと、循環配管２４及び間接式冷却器１２内に空気が供給される。さらに給水用電磁弁３３は、給水源５０に接続されており、給水用電磁弁３３を開くと、循環配管２４及び間接式冷却器１２内に水が供給される。なお前記した空気源４５の圧力は、少なくとも給水源５０の圧力よりも高い。例えば空気源４５の圧力は、０．２ＭＰａ〜０．７ＭＰａ（ケージ圧）程度であり、給水源５０の圧力は、０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａ程度である。

圧力センサー３１についても、循環配管２４に枝管を設けて取り付けられている。従って圧力センサー３１によって循環配管２４内の圧力を検知することができる。循環配管２４内の圧力は、間接式冷却器１２内の圧力と対応している。

排水用電磁弁３５は、循環配管２４の最も低い位置から分岐された枝管３６に取り付けられている。
また前記した冷凍回路１９（冷凍機）の一部が分岐されて別途第二膨張手段４０と第二蒸発器４１が取り付けられ、第二蒸発器４１が水タンク２０内に設置されている。第二膨張手段４０としては、例えば、膨張弁やキャピラリチューブを使用することができる。なお、本実施形態において、間接冷却器１２の能力は、冷凍機による水温の制御及び循環ポンプ３０による循環水量の制御により可変とすることができる。

次に、本実施形態の環境試験装置１の機能について説明する。
本実施形態の環境試験装置１は、恒温恒湿槽２内を低温環境にすることも高温環境にすることもできる。
即ち恒温恒湿槽２内を空調する場合には、ファン１０を起動して恒温恒湿槽２内の空気を空調装置３内に取り込み、希望温度に合わせて間接式冷却器１２，直膨式冷却器１３又はヒータ１１を機能させる。

即ち恒温恒湿槽２内を高温に空調する場合には、ヒータ１１に通電し、ヒータ１１の熱によって恒温恒湿槽２内を昇温する。

恒温恒湿槽２内を低温領域（常温近傍から５℃程度まで）に空調する場合には、間接式冷却器１２を使用する。即ち循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５を開くと共に、循環ポンプ３０を起動し、間接式冷却器１２に水を主体とする冷媒を循環させる。なお、このとき、給水用電磁弁３３及び排水用電磁弁３５は閉じておく。
また、このとき、冷凍機（冷凍回路１９）も合わせて起動し、第二蒸発器４１によって水タンク２０内の冷媒を冷却することもできる。例えば、水温が制御温度より１０℃低くなるよう設定することができる。

恒温恒湿槽２内を高温領域及び低温領域（５℃以上）で空調する場合おいて、湿度を制御するときにも間接式冷却器１２を使用する。例えば、除湿を抑えた温度の制御を行う場合には、間接式冷却器１２の表面温度（水温）を露点付近（露点の前後２℃の範囲内）に設定して空調すればよく、除湿と温度の制御を行う場合には、間接式冷却器１２の表面温度（水温）を、例えば、露点より５℃低く設定して空調する。

恒温恒湿槽２内を例えば５℃以下（極低温領域）に冷却する場合（強冷工程）には、冷凍機（冷凍回路１９）を起動し、直膨式冷却器１３によって熱交換を行う。これに先立って間接式冷却器１２及び循環配管２４から冷媒たる水を抜く。
即ち図３のフローチャートの様に、設定温度が５℃以下である場合は、ステップ２に移行して循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５を閉じる。
そしてステップ３に移行して排水用電磁弁３５を開く。その後、空気供給用電磁弁３２を開く（ステップ４）。その結果、間接式冷却器１２及び循環配管２４に高圧の空気が充填され、内部の水が空気と置換される。即ち内部の水は全て排水用電磁弁３５から排水される。
ステップ５で一定の時間が経過すると、間接式冷却器１２内の水はすべて空気と置換されたと推定されるから、ステップ６に移行して排水用電磁弁３５を閉止する。この段階においては、まだ空気供給用電磁弁３２は開いたままの状態であるから、間接式冷却器１２及び循環配管２４は、高圧状態となる。
そしてステップ７に移行して空気供給用電磁弁３２を閉じるが、循環配管２４は開口部を持たないので、間接式冷却器１２及び循環配管２４は、高圧状態が維持される。

続くステップ８，９，１０で冷凍機（冷凍回路１９）の圧縮機１５を起動し、直膨式冷却器１３を使用した強冷工程に入るが、この間、間接式冷却器１２及び循環配管２４が、高圧状態を維持しているか否かが監視される。即ち前記した様に、循環配管２４に圧力センサー３１が取り付けられており、ステップ８で圧力が一定値以上であるか否かが監視される。「一定の圧力」とは、前記した空気源４５の圧力よりも低く、給水源５０の圧力よりも高い圧力である。

間接式冷却器１２及び循環配管２４内の圧力が、給水源５０の圧力よりも高い場合は、万一給水用電磁弁３３に漏れがあったとしても給水源５０の水は間接式冷却器１２及び循環配管２４の圧力に押されて間接式冷却器１２には入らない。また供給側電磁弁（開閉弁）２６や戻り側電磁弁（開閉弁）２５に漏れがあっても、水は、間接式冷却器１２及び循環配管２４の圧力に押されて間接式冷却器１２には入らない。
そのため間接式冷却器１２内で水が凍結することはない。

圧力センサー３１が一定の圧力以下を検知した場合は、いずれかの電磁弁が漏れた場合であり、間接式冷却器１２内に水が侵入する懸念があるから、直ちに対策をとるべきである。
本実施形態では、間接式冷却器１２内の圧力が低下した場合は、ステップ８がＮＯとなり、ステップ１１に移行して警報を発する。警報は、例えばサイレンや光りの点滅等による。
そして圧縮機１５を停止し、試験を停止する。
なお、試験の途中で停止信号が入った場合は、ステップ１０がＹＥＳとなり、圧縮機１５を停止し、試験を停止する。

上記した実施形態では、環境試験装置１の設定温度が、５℃以下である場合に間接式冷却器１２内の水を排水することとしたが、ブラインとしてエチレングリコール等の不凍液を使用している場合には、より低い温度の場合にのみ、間接式冷却器１２内のブラインを排出することとしてもよい。この場合には、間接式冷却器１２内にブラインがある状態のままで、冷凍機（冷凍回路１９）を駆動する。

また逆に環境試験装置１の設定温度が、５℃以上である場合であっても間接式冷却器１２内等の水を排水してもよい。即ち、上記した実施形態において、設定温度が５℃以下である場合に間接式冷却器１２内の水を排水することとしたのは、経験則上、設定温度が５℃程度となると空気流路５の一部に氷点下の温度となる部位が生じ、設定温度が５℃程度を越える場合にはいずれの部位も０℃以上となるためである。
しかしながら、空調装置３の取り付け位置や、空気流路５内のレイアウト等によっては設定温度が５℃を越える場合でも間接式冷却器１２の一部や周辺配管が氷点下の温度に晒される場合もある。この様な場合には、設定温度が、５℃以上である場合に間接式冷却器１２内等の水を排水しなければならない。

また設定温度を基準として排水を行うのではなく、冷凍回路１９を起動させる場合に排水を行うこととしたり、直膨式冷却器１３に冷媒を流す場合に間接式冷却器１２内等の水を排水する構成としてもよい。さらに直膨式冷却器１３の表面温度や、空気流路５内の温度を検知し、この温度が所定温度以下となった場合に間接式冷却器１２内等の水を排水する構成としてもよい。

上記した実施形態では、給水配管２７、空気導入配管２８及び排水用電磁弁３５を循環配管２４に設けたが、これらを間接式冷却器１２に直接的に取り付けてもよい。

本発明の実施形態の環境試験装置の斜視図である。 図１の環境試験装置に付属する空調装置の作動原理図である。 図１の環境試験装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 環境試験装置
２ 恒温恒湿槽
３ 空調装置
５ 空気流路
１２ 間接式冷却器
１３ 直膨式冷却器
１５ 圧縮機
１６ 凝縮器
１７ 膨張手段
２０ 水タンク
２１ 入側冷媒配管
２２ 出側冷媒配管
２４ 循環配管
２５ 戻り側電磁弁（開閉弁）
２６ 供給側電磁弁（開閉弁）
３１ 圧力センサー
３２ 空気供給用電磁弁
３３ 給水用電磁弁
３５ 排水用電磁弁

Claims (6)

1. 冷却器として、間接式冷却器と直膨式冷却器を備えており、前記間接式冷却器は、冷媒たるブラインを循環させて熱交換を行い、前記直膨式冷却器は、蒸発器であり、圧縮機、凝縮器、及び膨張手段と共に一連の冷凍回路を構成し、前記冷凍回路を循環し相変化する冷媒の潜熱を利用して熱交換を行うことを特徴とする空調装置。
2. 温度領域を極低温領域と、低温領域及び高温領域に分け、極低温領域については直膨式冷却器を使用し、低温領域については間接式冷却器を使用することを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 湿度の制御に間接式冷却器を使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空調装置。
4. 間接式冷却器の表面温度を露点の前後２℃の範囲内に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調装置。
5. 前記冷凍回路の一部が分岐されて第二膨張手段及び第二蒸発器が取り付けられ、第二蒸発器によって間接式冷却器のブラインの温度を調節することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空調装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の空調装置が搭載された環境試験装置。

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