JP2008309465A - 温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充分な加熱能力を有し且つ省エネルギーを図り得る温度調整装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１８からの高温熱媒体の一部を供給する加熱器１４と、高温熱媒体の残余部を冷却した冷却媒体を供給する冷却器１６とから成る熱交換器１５と、高温熱媒体を加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する三方弁２０と、加熱器１４で冷却・凝縮された熱媒体を加熱するヒートポンプ手段と、冷却器１６及びヒートポンプ手段で加熱された熱媒体を圧縮機に供給する供給手段と、圧縮機１８の回転数を制御するインバータ１９とを具備し、加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更して、熱交換器１５を通過する流体を所定温度に調整するように三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと、適切な分配比率となるように、圧縮機１８の回転数を変更する第２制御部２２ｂとから成る温度調整装置。
【選択図】図１

Description

本発明は温度調整装置に関し、更に詳細には加熱手段と冷却手段とから成る熱交換器内を流れる流体を、前記加熱手段と冷却手段とによって温度調整する温度調整装置に関する。

通常、半導体装置の製造工程等の精密加工分野では、その殆どが温度制御されたクリーンルーム内に設置されている。
しかし、近年、半導体装置の製造工程でも、従来よりも更に加工精度の高い精密加工等が要求される工程が出現しつつある。
かかる高い精密加工等が要求される工程では、通常、クリーンルームの温度変化よりも更に小さな温度変化の環境であることが要求される。このため、高い精密加工等が要求される工程は、精密な温度管理がなされている空間ユニット内に設けられる。
この様に、精密な温度管理が要求される空間ユニットの温度を調整する温度制御装置として、下記特許文献１に図８に示す温度制御装置が提案されている。
図８に示す温度調整装置には、圧縮機１００、三方弁１０２、凝縮器１０４、膨張弁１０６、冷却器１０８及び加熱器１１０が設けられており、冷却器１０８を具備する冷却流路と加熱器１１０を具備する加熱流路とが設けられている。
かかる冷却器１０８と加熱器１１０とによって、ファン１１２から吹き出す温度調整対象の空気流の温度が調整される。
この図８に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体を三方弁１０２によって、冷却流路と加熱流路とに分配する。冷却流路側に分配された高温の熱媒体は、凝縮器１０４で冷却される。この冷却された熱媒体は、膨張弁１０６によって断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給される。冷却器１０８では、ファン１１２から吹き出す温度調整対象の空気流を冷却しつつ吸熱して昇温された熱媒体は圧縮機１００に供給される。
一方、加熱流路側に分配された高温の熱媒体は加熱器１１０に供給され、冷却器１０８で冷却された温度調整対象の空気流を加熱して所望の温度に調整する。この様に、加熱器１１０において、温度調整対象の空気流を加熱しつつ放熱して降温された熱媒体は、膨張弁１０６及び冷却器１０８を通過して圧縮機１００に供給される。

図８に示す従来の温度調整装置によって温度調整されている空間ユニット内の温度変化を、クリーンルームの温度変化よりも小さくできる。
しかしながら、図８に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体の全量が膨張弁１０６を通過して断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給されるため、ファン１１２から吹き出す温度調整対象の空気流を冷却する冷却エネルギー量は一定である。
一方、三方弁１０２によって加熱流路側に分配する高温の熱媒体の流量を調整することによって、冷却器１０８で冷却された温度調整対象の空気流に対する加熱器１１０での加熱量を調整できる。
従って、冷却器１０８及び加熱器１１０を通過する温度調整対象の空気流の温度を調整でき、空間ユニット内の温度管理を狭い温度範囲で行うことは可能である。
しかし、図８に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体の全量が膨張弁１０６を通過して断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給されるため、ファン１１２から吹き出す温度調整対象の空気流に対する温度調整は、専ら加熱器１１０に供給する圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体の再加熱によって行われる。

この様に、図８に示す温度調整装置で採用された温度制御方式では、加熱に使用した熱媒体も冷却流路に流すため、加熱できる熱量は圧縮機の動力による熱量のみとなり、冷却器１０８及び加熱器１１０に対する負荷変動への対応が困難である。
このため、冷却器１０８及び加熱器１１０を通過する温度調整対象の空気流の設定温度を大幅に高くする場合、温度調整対象の空気流の温度が設定温度に到達しなかったり、設定温度に到達するまでに著しく時間がかかることがある。
この様に、図８に示す従来の温度調整装置では、空間ユニット内に吸引される外気を加熱する加熱手段が再加熱器１０６のみであり、空間ユニット内に吸引される外気温度と調整温度との温度差が大きい場合には、外気を加熱する加熱能力が不足するため、図９に示す如く、補助電気ヒータ１１４を設けることを必要とする。
かかる補助電気ヒータ１１４による加熱は、省エネルギー上不利であり、補助電気ヒータを用いることなく充分な加熱能力を有することが望まれている。
そこで、本発明は、従来の温度調整装置では、吸引される外気温度と調整温度との温度差が大きい場合には、外気を加熱する加熱能力が不足するという課題を解決し、充分な加熱能力を有し且つ省エネルギーを図ることのできる温度調整装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的を達成すべく、図８に示す温度調整装置において、ヒートポンプ手段としての吸熱器を設け、加熱能力を向上することを試みた。
かかるヒートポンプ手段を設けることによって、吸引される外気温度と調整温度との温度差が大きい場合にも、充分な加熱能力を有することができる。
しかしながら、従来は、凝縮器１１４とヒートポンプ手段としての吸熱器とを、例えば四方弁を用いて機械的に切り替えることを要し、切替の際には、空間ユニット内の温度が乱れて、連続した高精度の温度調整が困難であることが判明した。
また、図８に示す温度調整装置では、冷却器１０４と再加熱器１０６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分が大きくなる場合が存在することも判明した。
このため、本発明者は、ヒートポンプ手段を用いつつ、空間ユニット内の温度を連続して高精度の温度調整が可能の温度調整装置について更に検討を重ねた結果、圧縮機によって圧縮されて加熱された高温熱媒体を、加熱手段と冷却手段とから成る熱交換器を流れる流体を所定温度に調整するように、加熱手段側と冷却手段側とに連続的に分配しつつ、加熱手段で熱を放出して冷却・凝縮された熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した低温熱媒体を加熱するヒートポンプ手段を設けることが有効であること、及び加熱手段と冷却手段との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を可及的に少なくできるように、加熱手段と冷却手段とに分配する熱媒体の分配比率を、圧縮機の回転数を変更して所定範囲内に調整することが有効であることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、圧縮機で圧縮されて加熱された気体状の高温熱媒体の一部が供給される加熱手段と、前記高温熱媒体の残余部を冷却・凝縮した熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した冷却媒体が供給される冷却手段とから成る熱交換器を具備し、前記熱交換器を通過する流体の温度調整を前記加熱手段と冷却手段とに供給する高温熱媒体の供給量を調整して行う温度調整装置であって、前記高温熱媒体を前記加熱手段側と冷却手段側とに分配する分配手段と、前記加熱手段で熱を放出して冷却・凝縮された熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した低温熱媒体を加熱するヒートポンプ手段と、前記冷却手段及びヒートポンプ手段で加熱された熱媒体を、前記圧縮機に供給する供給手段と、前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段とを具備し、前記加熱手段と冷却手段とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更して、前記熱交換器内を通過する流体を所定温度に調整するように前記分配手段を制御する第１制御部と、前記加熱手段と冷却手段との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくし得る高温熱媒体の分配比率となるように、前記回転数制御手段を介して圧縮機の回転数を変更する第２制御部とから成る制御部が設けられ、前記第２制御部には、前記圧縮機の回転数を変更する変更量が予め設定されていることを特徴とする温度調整装置にある。

かかる本発明において、互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくできる高温熱媒体の分配比率を、熱交換器内が加熱側の場合には、高温熱媒体の９５〜８５％（或いは８０〜７０％）が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の５〜１５％（或いは２０〜３０％）が冷却手段に分配される範囲とし、他方、熱交換器内が冷却側の場合には、高温熱媒体の５〜１５％（２０〜３０％）が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の９５〜８５％（或いは８０〜７０％）が冷却手段に分配される範囲とすることによって、温度調整装置の省エネルギーを図りつつ、温度調整装置を安定して運転できる。
また、分配手段として、加熱手段側に分配する高温熱媒体量と冷却手段側に分配する高温熱媒体量との合計量が圧縮機から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように、前記高温熱媒体を比例分配する比例三方弁を用いることによって、高温熱媒体の分配比率をスムーズに連続的に行うことができる。
更に、分配手段として、圧縮機から気体状の高温熱媒体を加熱手段側と冷却手段側とに分岐する分岐配管の各々に設けられた二方弁と、前記二方弁の各開度を制御し、前記加熱手段側に分配する高温熱媒体量と冷却手段側に分配する高温熱媒体量との合計量が圧縮機から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように、前記高温熱媒体を比例配分する開度制御部とを設けることによって、同様に、高温熱媒体の分配比率をスムーズに連続的に行うことができる。
ここで、圧縮機の吐出側の圧力が一定に保持されるように、高温熱媒体の残余部を冷却・凝縮する冷却媒体の供給量を制御する冷媒制御手段を設けることによって、温度調整装置を安定して運転できる。
尚、回転数制御手段としては、インバータを好適に用いることができる。

本発明の温度調整装置では、圧縮機によって圧縮されて加熱された高温熱媒体のうち、熱交換器の加熱手段で熱を放出して冷却・凝縮された熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した低温熱媒体を加熱するヒートポンプ手段が設けられている。このため、外気温度と調整温度との温度差が大きい場合でも、充分な加熱能力を有し且つ省エネルギーを図ることができる。
また、本発明の温度調整装置では、熱交換器を構成する加熱手段と冷却手段とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更して、温調流体の温度を所定温度に調整でき、ヒートポンプ手段との機械的な切り替え等を不要にでき、それに因る外乱を防止し、熱交換器内の温度を連続して高精度に温度調整ができる。
更に、本発明の温度調整装置においては、加熱手段と冷却手段との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくできる高温熱媒体の分配比率となるように変更している。従って、ヒートポンプ手段を設けたことと相俟って更に一層の省エネルギーを図ることができる。
しかも、本発明の温度調整装置では、圧縮機の回転数を変更する変更量を予め設定しており、省エネルギーを図りつつ、更に一層温度調整装置を安定して運転できる。

本発明に係る温度調整装置の一例を説明する概略図を図１に示す。図１に示す温度調整装置は、温度調整が成されたクリーンルーム内に設置された空間ユニット１０内に熱交換器１５が設けられている。この熱交換器１５は、空間ユニット１０内にファン１２によって吸込んだ流体としての外気を温度調整する加熱手段としての加熱器１４と冷却手段としての冷却器１６とから構成される。かかる熱交換器１５では、空間ユニット１０内に吸引した外気を加熱した後、冷却して温度調整する熱交換器として設けられている。
かかる加熱器１４及び冷却器１６には、熱媒体として、例えばプロパン、イソブタンやシクロペンタン等の炭化水素、フロン類、アンモニア、炭酸ガスが供給され、熱媒体の気化・液化によって外気を加熱・冷却して所定の温度に調整する。
この様な熱媒体は、回転数制御手段としてのインバータ１９によって回転数が制御されている圧縮機１８によって圧縮・加熱して得た気体状の高温熱媒体を、分配手段としての比例三方弁２０によって、加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する。この比例三方弁２０では、圧縮機から吐出された高温熱媒体を、加熱器１４側に分配する高温熱媒体量と冷却器１６側に分配する高温熱媒体量との合計量が圧縮機１８から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように分配する。
かかる比例三方弁２０は、制御部２２を構成する第１制御部２２ａによって制御されている。この制御部２２ａでは、空間ユニット１０内に設けられた温度センサ２４によって測定された温度信号に基づいて、比例三方弁２０の加熱器１４側と冷却器１６側との開度を連続的に変更して、加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた流体を所定温度に調整する。
更に、制御部２２を構成する第２制御部２２ａからは、圧縮機１８の回転数を変更する変更信号がインバータ１９に向けて発せられる。

加熱器１４側に分配された気体状の高温熱媒体は、加熱器１４に直接供給され、空間ユニット１０内に吸引された外気を加熱し、その際に、高温熱媒体は放熱して冷却・凝縮された熱媒体となる。
一方、冷却器１６側に分配された気体状の高温熱媒体は、凝縮器２６によって冷却・凝縮され、更に第1膨張弁２８によって減圧下で断熱膨張して冷却されて冷却熱媒体とされる。減圧された冷却熱媒体は、冷却器１６に供給される。
冷却器１６に供給された冷却熱媒体は、空間ユニット１０内に吸込まれて熱交換器を構成する加熱器１４によって加熱された外気を冷却し、所定の温度に温度調整する。その際に、冷却器１６に供給された冷却熱媒体は加熱される。
かかる凝縮器２６には、加熱器１４側に分配された気体状の高温熱媒体を冷却・凝縮する冷却用として配管３０を経由して水等の冷却媒体が供給されている。かかる冷却媒体は、凝縮器２６内で高温熱媒体によって加熱されて配管３１から吐出される。この配管３１から吐出される媒体は、ヒートポンプ手段としての吸熱器３２に加熱媒体として供給される。
この吸熱器３２には、加熱器１４で放熱した媒体を、第２膨張弁３４によって減圧下で断熱膨張して更に冷却した低温媒体が供給されている。このため、吸熱器３２では、凝縮器２６で加熱された加熱媒体によって、加熱器１４で放熱・凝縮し更に減圧下で断熱膨張して冷却した低温媒体を加熱できる。
加熱された熱媒体は、アキュームレータ３６に蓄圧され、圧縮機１８に供給される。このアキュームレータ３６には、冷却器１６に供給された冷却熱媒体であって、空間ユニット１０内に吸込まれた流体から吸熱した熱媒体も蓄圧される。
かかるアキュームレータ３６の設置によって、圧縮機１８に供給する熱媒体の状態を安定させることができる。

この様に、図１に示す温度調整装置では、冷却器１６側に供給されて冷却される高温熱媒体の熱の少なくとも一部を、ヒートポンプ手段としての吸熱器３２によって、圧縮機１８に供給する熱媒体に回収できる。
その結果、図１に示す温度調整装置では、圧縮機１８による圧縮・加熱によって発生する熱量を充分に利用でき、補助電気ヒータ等の他の加熱源を必要とする加熱手段を用いることを要しない。
また、図１に示す温度調整装置では、比例三方弁２０によって第1加熱器１４側に分配する高温熱媒体と第２冷却器１６側に分配する高温熱媒体との分配比率を、空間ユニット１０内の温度に応じて連続的に変化できる。このため、空間ユニット１０内に吸引される外気の温度と設定温度との温度差が比較的大きくても、空間ユニット１０内の温度を連続して高精度に温度調整できる。
その結果、図１に示す温度調整装置を、温度調整が成されているクリーンルーム内に設置すると、空間ユニット１０内の温度変化を、クリーンルームの温度変化よりも小さくでき、精密加工が要求される工程を設置できる。

ところで、第1加熱器１４と第２冷却器１６とから成る熱交換器１５による空間ユニット１０内の温度調整では、例えば、系が冷却側にある場合、空気温度が安定する所期運転状態では、図２（ａ）に示す様に、第２冷却器１６を含む冷却側部で冷却した空気を第１加熱器１４を含む加熱側部で加熱している。図２（ａ）に示す運転状態では、空気を冷却するに要するエネルギーＡに比較して、加熱側部で加熱するエネルギーが大きくなる場合がある。この場合、図２（ｂ）に示す様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを可及的に少なくできれば、省エネルギーを図ることができる。
一方、系が加熱側にある場合、空気温度が安定する所期運転状態では、図３（ａ）に示す様に、第１加熱器１４を含む加熱側部で加熱した空気を第２冷却器１６を含む冷却側部で冷却している。図３（ａ）に示す運転状態では、空気を加熱するに要するエネルギーＢに比較して、冷却側部で冷却するエネルギーが大きくなる場合がある。この場合、図３（ｂ）に示す様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを少なくできれば、省エネルギーを図ることができる。
但し、互いに打ち消し合う熱負荷分をゼロとすべく、第１加熱器１４と第２冷却器１６とをＯＮ−ＯＦＦ制御すると、温度調整装置の運転が不安定となり、空間ユニット１０内を所定温度で安定するまで時間が掛かる。このため、温度調整装置を安定運転できる程度には、第１加熱器１４と第２冷却器１６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を最小限存在させることが必要である。
尚、この必要最小限の互いに打ち消し合う熱負荷分は、温度調整装置によって多少異なるため、実験的に求めておくことが好ましい。

図１に示す温度調整装置では、第１加熱器１４と第２冷却器１６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を可及的に少なくするように、圧縮機１８の回転数をインバータ１９を介して制御部２２ｂによって制御している。
かかる制御部２２ｂは、比例三方弁２０を制御する制御部２２ａと共に制御部２２を構成している。この制御部２２ａによる比例三方弁２０の制御と制御部２２ｂによる圧縮機１８の回転数の制御とを図４のフローチャートに示す。
図１に示す温度調整装置を試運転したところ、熱交換器１５を冷却側で運転する場合は、第1加熱器１４に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による第1加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を５〜１５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温熱媒体の分配率を９５〜８５％）とすることが安定運転上から好ましいことが判明した。他方、熱交換器１５を加熱側で運転する場合は、加熱器１４側に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を９５〜８５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温熱媒体の分配率を５〜１５％）とすることが安定運転上から好ましいことが判明した。
このため、図４のフローチャートに示す制御では、加熱器１４側に加えられる熱負荷、具体的には比例三方弁２０による加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を、熱交換器１５を冷却側で運転する場合は、５〜１５％となるように圧縮機１８の回転数を制御し、熱交換器１５を加熱側で運転する場合は、９５〜８５％の分配率となるように圧縮機１８の回転数を制御することにした。

図４に示すフローチャートでは、ステップＳ１０で圧縮機１８を起動した後、ステップＳ１２で空間ユニット１０内を所定温度とするように、空間ユニット１０内に設けられた温度センサ２４によって測定された温度信号に基づいて、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた流体を所定温度に調整する。
かかる空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定しているかをステップＳ１４で判断し、空間ユニット１０内の温度が安定していない場合は、ステップＳ１２に戻り、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更する。かかるステップＳ１２及びステップＳ１４は第１制御部２２ａで行う。
ここで、ステップＳ１４において、予め設定時間内（例えば、数分間）で測定した空間ユニット１０内の温度が所定温度にあるとき、空間ユニット１０内の温度が安定していると判断する。
一方、空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定している場合は、ステップＳ１６〜Ｓ２２で加熱器１４側に分配される高温熱媒体の分配比率が所定の範囲内であるか否か判断する。このステップＳ１６〜Ｓ２２は第２制御部２２ｂで行う。
尚、図４に示す平均高温熱媒体分配率とは、加熱器１４側に分配される高温熱媒体の分配比率にはばらつきがあるため、所定時間内の熱媒体分配率の平均をとった値である。

先ず、ステップＳ１６とステップＳ１８とでは、熱交換器１５が冷却側にあると仮定したとき、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５〜１５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５〜１５％内にある場合は、熱交換器１５が冷却側にあり、且つ温度調整装置の運転が安定する範囲内であるため、ステップＳ１６を通過しステップＳ１８からステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８では、圧縮機１８が運転中か否か判断して、圧縮機１８が運転中であれば、ステップ１４に戻る。
一方、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５％未満である場合には、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が低過ぎるため、温度調整装置の運転が不安定となり易い。このため、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率を増加すべく、ステップＳ１６からステップＳ２４に移行し、圧縮機１８の回転数を増加する。ステップＳ２４では、制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加する増加信号を発信する。圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加することによって、温度調整装置を安定して運転できるからである。
ここで、圧縮機１８の回転数を変化させる変化量は、予め第２制御部２２ｂに設定されている。この変化量は、圧縮機１８の回転数の最小回転数とすることが好ましい。かかる最小回転数は、温度調整装置によって異なり、実験的に求めておくことが好ましいが、圧縮機１８の回転数が２０００〜５０００ｒｐｍのとき、最小変化量を３〜１０%の範囲とすることが好ましい。

また、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が１５％を越えている場合には、ステップＳ１６とステップＳ１８とを通過して、熱交換器１５が冷却側にないと判断し、ステップＳ２０とステップＳ２２とに移行する。ステップＳ２０とステップＳ２２とでは、熱交換器１５が加熱側にあると仮定したとき、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が９５〜８５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が８５〜９５％内にある場合は、熱交換器１５が加熱側にあり、且つ温度調整装置の運転が安定する範囲内であるため、ステップＳ２０を通過しステップＳ２２からステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８では、圧縮機１８が運転中か否か判断して、圧縮機１８が運転中であれば、ステップ１４に戻る。
一方、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が９５％を超えている場合には、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が高過ぎ、温度調整装置の運転が不安定となり易い。このため、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率を減少すべく、ステップＳ２０からステップＳ２４に移行し、圧縮機１８の回転数を増加する。ステップＳ２４では、制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加する増加信号を発信する。

また、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が８５％未満の場合には、ステップＳ２２において、熱交換器１５は加熱側でもなく且つ冷却側でもない状態、すなわち加熱器１４と冷却器４４との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分が多い状態と判断される。このため、ステップＳ２６に移行し、圧縮機１８の回転数を低下する。ステップＳ２６では、制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で低下する低下信号を発信する。圧縮機１８の回転数を最小変化量で低下し、熱交換器１５を加熱側又は冷却側に移行させるためである。
次いで、ステップＳ２４又はステップＳ２６を通過してステップＳ２８に移行し、圧縮機１８が運転中であれば、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４では、ステップＳ２４又はステップＳ２６において、圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加又は低下した状態で、空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定しているかを判断する。空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定している場合には、ステップＳ１６〜Ｓ２６によって、再度、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が所定範囲内に在るか否か判断する。
一方、ステップＳ１４において、空間ユニット１０内の温度が安定していないと判断した場合は、ステップＳ１２に戻り、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更する。間ユニット１０内が所定温度に到達して安定してからステップＳ１６〜Ｓ２６に移行する。
尚、ステップＳ２８において、圧縮機１８が運転状態にない場合には、制御部２２による制御は停止する。

以上、説明してきた図４に示すフローチャートでは、制御部２２ａでは、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率に注目して制御しているが、冷却器１６側への平均高温熱媒体分配率に注目して制御してもよい。
また、熱交換器１５を冷却側で運転する場合は、第1加熱器１４に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による第1加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を５〜１５％とし、他方、熱交換器１５を加熱側で運転する場合は、加熱器１４側に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を９５〜８５％となるように圧縮機１８の回転数を制御している。
かかる高温熱媒体の分配率では、温度調整装置の運転が不安定となる場合には、熱交換器１５を冷却側で運転する場合、第1加熱器１４に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による第1加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を２０〜３０％とし、他方、熱交換器１５を加熱側で運転する場合は、加熱器１４側に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を８０〜７０％となるように圧縮機１８の回転数を制御してもよい。

更に、図１及び図２に示す温度調整装置では、凝縮器２６に冷却媒体を供給する配管３０に、冷媒制御手段としての制御弁４０が設けられている。かかる制御弁４０は、図５に示す様に、冷却水の流路内に設けられた弁部４０ａの開口部を開閉する弁体４０ｂを具備する棒状部が設けられている。この棒状部は、その先端面が当接するバネ４０ｃによって弁体４０ｂが弁部４０ａの開口部を閉じる方向に付勢されている。また、棒状部の他端面は、圧縮機１８から吐出された第１熱媒体の圧力が供給されるベローズ４０ｄに当接し、棒状部をバネ４０ｃの付勢力に抗して弁部４０ａの開口部を開放する方向に弁体４０ｂを付勢している。
このため、圧縮機１８の吐出圧がバネ４０ｃの付勢力以上となったとき、ベローズ４０ｄによって弁体４０ｄが弁部４０ａの開口部を開放する方向に移動し、凝縮器２６に供給される冷却水量が増加して、凝縮器２６の冷却能力が向上される。この様に、凝縮器２６の冷却能力が向上されて、圧縮機１８の吐出圧が低下する。
他方、圧縮機１８の吐出圧がバネ４０ｃの付勢力以下となったとき、弁体４０ｄが弁部４０ａの開口部を閉じる方向に移動し、凝縮器２６に供給される冷却水量が減少して、凝縮器２６の冷却能力が低下する。このため、圧縮機１８の吐出圧が高くなる。
この様に、圧縮機１８の吐出圧を一定に保持することによって、温湿度調整装置を安定して運転できる。また、凝縮器２６に冷却水量が必要以上に供給され、系外に排出されないように調整できる。

また、図１の温度調整装置に用いた比例三方弁２０に代えて、図６に示す様に、２個の二方弁としてのゲートバルブ３９ａ，３９ｂを用いることができる。２個のゲートバルブ３９ａ，３９ｂの各々は、開度制御部４２によって制御されている。かかる開度制御部４２によって、圧縮機１８によって圧縮・加熱された気体状の高温熱媒体を、加熱器１４側に分配する高温熱媒体量と冷却器１６側に分配する高温熱媒体量との合計量が、圧縮機１８から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように、ゲートバルブ３９ａ，３９ｂの開度を調整して連続的に比例分配される。
この場合、ゲートバルブ３９ａ，３９ｂの各々は、図７に示す様に、バルブ開度と流量との関係は直線状でない。このため、開度制御部４２では、図７に示すゲートバルブ３９ａ，３９ｂの各々についての流量特性データを保持し、開度制御部４２からは、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各流量特性に基づいて各ゲートバルブ３９ａ，３９ｂへの開度信号を発信する。
尚、この開度制御部４２では、空間ユニット１０内に設けられた温度センサ２４によって測定された温度信号に基づいて、加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更して、空間ユニット１０内に吸込まれた流体を所定温度に調整することも併せて行う。

図１に示す温度調整装置では、空間ユニット１０内に吸引した外気を加熱した後、冷却するように、加熱器１４と冷却器１６とを配置しているが、空間ユニット１０内に吸引した外気を冷却した後、加熱するように、冷却器１６と加熱器１４とを配置してもよい。
更に、ヒートポンプ手段としての吸熱器３２には、凝縮器２６で加熱された加熱媒体が供給されるが、凝縮器２６には、吸熱器３２に供給して吸熱されて更に冷却された冷却媒体を供給してもよい。
以上、説明してきた本発明に係る温度調整装置では、空気の温度調整装置について説明してきが、他の気体の温度調整装置としても用いることができ、液体の温度調整装置としても用いることができる。
尚、外部への放熱・吸熱は、空気式、水冷式のいずれであってもよい。

本発明に係る温度調整装置の一例を説明する概略図である。 本発明に係る温度調整装置において、冷却側にある場合の省エネルギーの原理を説明する説明図である。 本発明に係る温度調整装置において、加熱側にある場合の省エネルギーの原理を説明する説明図である。 図１に示す温度調整装置の制御部２２による制御手順を説明するためのフローチャートである。 図１に示す温度調整装置において、凝縮器２６に冷却媒体を供給する配管３０に設けた冷媒制御手段としての制御弁４０の構造を説明する説明図である。 図１に示す温度調整装置で用いることのできる他の分配手段を説明する説明図である。 図６に示す分配手段で用いるゲートバルブの流量特性を示すグラフである。 従来の温度調整装置を説明する概略図である。 図８に示す温度調整装置の改良例を説明する概略図である。

符号の説明

１０ 空間ユニット
１２ ファン
１４ 加熱器（加熱手段）
１５ 熱交換器
１６ 冷却器（冷却手段）
１８ 圧縮機
１９ インバータ（回転数制御手段）
２０ 比例三方弁（分配手段）
２２ 制御部
２２ａ 第１制御部
２２ｂ 第２制御部
２４ 温度センサ
２６ 凝縮器
２８ 第１膨張弁
３２ 吸熱器（ヒートポンプ手段）
３４ 第２膨張弁
３６ アキュームレータ（供給手段）
３９ａ，３９ｂ ゲートバルブ
４０ 制御弁
４２ 開度制御部

Claims (7)

1. 圧縮機で圧縮されて加熱された気体状の高温熱媒体の一部が供給される加熱手段と、前記高温熱媒体の残余部を冷却・凝縮した熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した冷却媒体が供給される冷却手段とから成る熱交換器を具備し、前記熱交換器を通過する流体の温度調整を前記加熱手段と冷却手段とに供給する高温熱媒体の供給量を調整して行う温度調整装置であって、
   前記高温熱媒体を前記加熱手段側と冷却手段側とに分配する分配手段と、前記加熱手段で熱を放出して冷却・凝縮された熱媒体を減圧下で蒸発して更に冷却した低温熱媒体を加熱するヒートポンプ手段と、前記冷却手段及びヒートポンプ手段で加熱された熱媒体を、前記圧縮機に供給する供給手段と、前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御手段とを具備し、
   前記加熱手段と冷却手段とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更して、前記熱交換器内を通過する流体を所定温度に調整するように前記分配手段を制御する第１制御部と、前記加熱手段と冷却手段との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくし得る高温熱媒体の分配比率となるように、前記回転数制御手段を介して圧縮機の回転数を変更する第２制御部とから成る制御部が設けられ、
   前記第２制御部には、前記圧縮機の回転数を変更する変更量が予め設定されていることを特徴とする温度調整装置。
2. 互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくできる高温熱媒体の分配比率が、熱交換器が加熱側の場合には、高温熱媒体の９５〜８５％が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の５〜１５％が冷却手段に分配される範囲であり、他方、前記熱交換器内が冷却側の場合には、高温熱媒体の５〜１５％が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の９５〜８５％が冷却手段に分配される範囲である請求項１記載の温度調整装置。
3. 互いに打ち消し合う熱負荷分を少なくできる高温熱媒体の分配比率が、熱交換器が加熱側の場合には、高温熱媒体の８０〜７０％が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の２０〜３０％が冷却手段に分配される範囲であり、他方、前記熱交換器内が冷却側の場合には、高温熱媒体の２０〜３０％が加熱手段に分配されると共に、高温熱媒体の８０〜７０％が冷却手段に分配される範囲である請求項１記載の温度調整装置。
4. 分配手段が、加熱手段側に分配する高温熱媒体量と冷却手段側に分配する高温熱媒体量との合計量が圧縮機から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように、前記高温熱媒体を比例分配する比例三方弁である請求項１〜３のいずれか一項記載の温度調整装置。
5. 分配手段が、圧縮機から気体状の高温熱媒体を加熱手段側と冷却手段側とに分岐する分岐配管の各々に設けられた二方弁と、前記二方弁の各開度を制御し、前記加熱手段側に分配する高温熱媒体量と冷却手段側に分配する高温熱媒体量との合計量が圧縮機から吐出された高温熱媒体量と等しくなるように、前記高温熱媒体を比例配分する開度制御部とが設けられている請求項１〜４のいずれか一項記載の温度調整装置。
6. 圧縮機の吐出側の圧力が一定に保持されるように、高温熱媒体の残余部を冷却・凝縮する冷却媒体の供給量を制御する冷媒制御手段が設けられている請求項１〜５のいずれか一項記載の温度調整装置。
7. 回転数制御手段が、インバータである請求項１〜６のいずれか一項記載の温度調整装置。

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