JP2010007962A - 温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器に付着したデフロストを、運転停止をせずに実行可能とし、精密な温度調整を図ることができる温度調整装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１８で圧縮されて送り出される熱媒体が分配器２０によって分配され、加熱器１６（凝縮器）、膨張弁３４、外部熱源である外部熱媒体から吸熱する蒸発器３２、圧縮機１８の順に循環される加熱回路と、分配器２０によって加熱回路側に分配された熱媒体の残余部が分配され、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器２６、膨張弁２８、冷却器１４（蒸発器）、圧縮機１８の順に循環される冷却回路とを具備し、加熱器１６及び冷却器１４を通過する流体を所定温度に調整する温度調整装置５２において、加熱回路の蒸発器３２と並列に第２の蒸発器６２が設けられ、加熱回路では、蒸発器３２と第２の蒸発器６２とを切り換えて使用できるように設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は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、その殆どが温度及び湿度が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、精密加工分野でも、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。

このような空間ユニットの温度調整に用いられる温度調整装置としては、図１０に示すような温度調整装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１０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１０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。

特開昭５１−９７０４８号公報

図１０に示す温度調整装置において、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。

したがって、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１０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。

このように、図１０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。

発明者等は、加熱流路において加熱器を通過した熱媒体を、膨張弁で断熱膨張させた後に、蒸発器に流入させて蒸発させる構成について想到した。かかる場合、蒸発器に流入した熱媒体は、外部熱媒体から吸熱し、その後圧縮機に入力される。

このように、加熱流路に蒸発器を設けた場合、熱媒体は水や空気等の外部熱媒体と熱交換して温度を上昇させるが、蒸発器を室外に設置して外気と熱媒体とが熱交換をする構成も考えられる。
かかる場合にあっては、外気温度が低下したとき、蒸発器には霜が付着してしまうという課題がある。蒸発器に霜が付着してしまうと、熱交換効率が悪くなって精密な温度調整ができなくなってしまう。

霜取り（デフロスト）を行う場合、霜が付着した蒸発器へ、温調された空気を当ててデフロストを行ったり、また蒸発器にヒータを設けて強制的にデフロストを行うことが考えられる。
しかし、このような方法でデフロストを行いつつ圧縮機を運転させて温度調整を継続すると、温度制御が大きく乱れてしまうという課題がある。
また温度調整装置を一旦停止させて、作業者が手で霜を落とす方法や、あるいは霜の自然解凍を待つ方法も考えられる。しかし、装置を一旦停止させてしまうと、デフロスト後に運転を開始して再度安定した所定温度にまで調整するまでに時間がかかってしまうという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、蒸発器に付着したデフロストを、運転停止をせずに実行可能とし、精密な温度調整を図ることができる温度調整装置を提供することにある。

本発明にかかる温度調整装置によれば、圧縮機で圧縮されて送り出される熱媒体が分配器によって分配され、加熱器（凝縮器）、膨張弁、外部熱源である外部熱媒体から吸熱する蒸発器、圧縮機の順に循環される加熱回路と、前記分配器によって加熱回路側に分配された熱媒体の残余部が分配され、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、膨張弁、冷却器（蒸発器）、圧縮機の順に循環される冷却回路とを具備し、前記加熱器及び前記冷却器を通過する流体を所定温度に調整する温度調整装置において、前記加熱回路の蒸発器と並列に第２の蒸発器が設けられ、前記加熱回路では、蒸発器と第２の蒸発器とを切り換えて使用できるように設けられていることを特徴としている。
この構成を採用することによって、蒸発器に霜が付着してしまった場合、加熱回路の蒸発器を第２の蒸発器に切り換えることにより、蒸発器として使用していた熱交換器を加熱サイクルから切り離してデフロストを行うことができる。このため、圧縮機の運転を停止しなくてもデフロストを実行でき、また霜が付着した蒸発器は、どのような手段を用いてデフロストを行っても加熱回路における温度調整には影響を与えることはないので、精密な温度調整を実行できる。
また、加熱回路において加熱器を通過した熱媒体を、膨張弁で断熱膨張させた後に、蒸発器に流入させて蒸発させる構成とし、蒸発器に流入した熱媒体は、外部熱媒体から吸熱し、その後圧縮機に入力されるため、電気ヒーターなどを用いることなく高い加熱能力を得ることができる。したがって、デフロスト時における霜の除去を効率よく省電力で行うことができる。

また、前記第２の蒸発器は、前記膨張器の下流側と前記蒸発器の上流側との間で分岐した第1の分岐路と、前記蒸発器の下流側と前記圧縮機の上流側との間で分岐した第２の分岐路とによって、加熱回路に接続して成ることを特徴としてもよい。

さらに、前記加熱回路の蒸発器の下流側に温度センサが設けられ、該温度センサが検出した温度が所定温度以下となった場合には、前記加熱回路の蒸発器と前記第２の蒸発器とを切り換えるように制御する制御手段が設けられていることを特徴としてもよい。

また、前記圧縮機の上流側には熱媒体の圧力を検出する圧力センサが設けられ、前記制御手段は、前記圧力センサが検出した圧力が所定圧力以下となった場合には、前記加熱回路の蒸発器と前記第２の蒸発器とを切り換えるように制御することを特徴としてもよい。

また、前記蒸発器および前記第２の蒸発器には、デフロスト用のヒータが設けられていることを特徴としてもよい。
このため、加熱回路から切り離された側の蒸発器または第２の蒸発器は、ヒータによって加熱されてデフロストを行うことができる。

なお、前記加熱回路の蒸発器および前記冷却回路の凝縮器は室外に設置され、前記外部熱源は、外気であることを特徴としてもよい。

また、前記加熱器及び前記冷却器の間に、水を噴霧する加湿器を設け、該加湿器の噴霧量を制御することによって、前記加熱器及び前記冷却器を通過する流体を所定湿度に調整する湿度制御手段を設けたことを特徴としてもよい。

本発明の温度調整装置では、蒸発器に付着した霜のデフロストを、運転を停止せずに実行することができ、精密な温度調整を図ることができる。

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５２には、温度及び湿度が調整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、ファン１２によって吸込んだ気体としての空気の温度を調整する加熱器１４および冷却器１６が設けられている。なお、空間ユニット１０内に吸引される空気流の入口側に加熱器１４が、その下流に冷却器１６が配設されている。

加熱回路は、圧縮機１８から送り出される熱媒体の一部が分配器２０により分配され、加熱器（凝縮器）１４、膨張弁３４、蒸発器（吸熱器）３２、圧縮機１８の順に熱媒体が循環されるように構成される。
加熱回路の蒸発器３２は、室外（屋外も含む）に設置され、ファン３３が設けられている。蒸発器３２は、ファン３３によって外気と熱媒体とが熱交換するように設けられており、外気から熱媒体が熱を吸収している。

加熱回路では、蒸発器が２台並列に設けられており、運転中はいずれか一方が加熱回路に接続されて蒸発器としての機能を果たし、他方は加熱回路の加熱サイクルから切り離された状態となる。
このような２台の蒸発器３２と第２の蒸発器６２は、切り換えて使用できるように設けられており、使用していた一方の蒸発器に霜が付着した場合には、回路を切り換えて他方の蒸発器を加熱回路に接続させて蒸発器として用いられる。そして、霜が付着した蒸発器を、加熱サイクルから切り離して加熱回路へ影響を与えないようにしてデフロストすることができる。

かかる蒸発器３２および第２の蒸発器６２には、デフロスト用のヒータ６６が設けられている。ヒータ６６は、各蒸発器３２，６２を構成する複数枚の熱交換用フィンを貫通して配置された棒状のヒータであり、通電することによって加熱する。ヒータ６６が加熱することによって、蒸発器３２，６２に付着した霜を溶かすことができる。

具体的には、加熱回路の膨張弁３４と蒸発器３２の上流側との間に分岐管５６が配設され、加熱回路の蒸発器３２の下流側とアキュームレータ３６との間に分岐管５７が配設される。そして、分岐管５６と分岐管５７の先端に第２の蒸発器６２に設けられる。

また、蒸発器３２の上流側の配管には、第1の制御弁５８が設けられている。蒸発器３２の下流側の配管には、第２の制御弁５９が設けられている。また、分岐管５６の中途部には、第３の制御弁６０が設けられている。分岐管５７の中途部には、第４の制御弁６４が設けられている。

上述した第１〜第４の制御弁の開閉を制御することで、加熱回路の蒸発器３２と第２の蒸発器６２との切り換えが可能となる。
すなわち、第１の制御弁５８と第２の制御弁５９を開とし、第３の制御弁６０と第４の制御弁６４を閉とすることで、加熱回路の熱媒体は蒸発器３２へ流れ、第２の蒸発器６２は、加熱回路から切り離された状態となる。

デフロスト時には、第１の制御弁５８と第２の制御弁５９を閉とし、第３の制御弁６０と第４の制御弁６４を閉とすることで、加熱回路の熱媒体は分岐管５６と分岐管５７を介して第２の蒸発器６２へ流れ、蒸発器３２は加熱回路から切り離された状態となる。

冷却回路は、加熱回路と圧縮機１８が共通に用いられており、圧縮機１８から送り出される熱媒体の加熱回路へ分配された分の残余部が分配器２０により分配され、凝縮器２６、膨張弁２８、冷却器（蒸発器）１６、圧縮機１８の順に循環されるように構成される。
冷却回路の凝縮器２６も、室外（屋外も含む）に設置され、ファン２７が設けられている。凝縮器２６は、ファン２７によって外気と熱媒体とが熱交換するように設けられており、外気へ熱媒体が熱を放出している。

加熱回路および冷却回路を流通する熱媒体としては、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、炭酸ガスがある。

また、本実施形態における分配器２０は比例三方弁が採用されている。
熱媒体は、分配器としての比例三方弁２０によって、加熱器１４が設けられた加熱回路側と冷却器１６が設けられた冷却回路側とに分配される。
この比例三方弁２０では、加熱回路側に分配する高温の熱媒体と冷却回路側に分配する高温の熱媒体との合計量が圧縮機１８から吐出された高温の熱媒体量と等しくなるように分配する。

比例三方弁２０は、温度制御部２２によって制御されている。この温度制御部２２では、空間ユニット１０の空気吹出口に設けられた温度センサ２４によって測定された測定温度と設定された設定温度（操作者が図示しない入力スイッチを操作することによって温度制御部２２に入力された温度）とを比較し、測定温度が設定温度と一致するように、加熱回路側と冷却回路側とに分配する高温の熱媒体の分配比率を実質的に連続して変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた空気を所定温度に調整する。
この「実質的に連続して変更」とは、比例三方弁２０をステップ制御で駆動するとき、微視的には比例三方弁２０がステップ的に駆動されているものの、全体的には連続して駆動されている場合を含む意味である。

温度制御部２２に設定する設定温度は、上述したように任意に設定できるようにしてもよいし、予め温度制御部２２内の記憶手段に記憶させておいてもよい。更に、図１に示す温度センサ２４は、空気流の吹出口側に設置されているが、ファン１２の吸入側に設置してもよく、吹出口側及び吸入側の両方に設けてもよい。

以下、加熱回路の加熱サイクルと冷却回路の冷却サイクルについて説明する。
比例三方弁２０によって加熱回路側に分配された高温の熱媒体は、加熱器１４に直接供給され、空間ユニット１０内に吸引されて冷却器１６で冷却された空気流を加熱して所定温度に調整する。その際に、高温の熱媒体は放熱して冷却されて凝縮液を含む熱媒体となる。

一方、冷却回路側に分配された高温の熱媒体は、凝縮器２６によって冷却されてから膨張弁２８によって断熱的に膨張して更に冷却（例えば、１０℃に冷却）される。冷却された熱媒体は、冷却器１６に供給され、空間ユニット１０内に吸込まれた空気流を冷却する。

このような冷却回路の凝縮器２６は、室外機として室外に配置され、ファン２７によって外部熱媒体としての外気が供給されている。かかる外気は、凝縮器２６内で７０℃程度の熱媒体から放熱され３０℃程度に加熱される。

加熱回路の蒸発器３２は、室外機として室外に配置され、ファン３３によって外部熱媒体としての外気が供給されている。かかる外気は、蒸発器３２で１０℃程度の熱媒体へ熱を供給する。このように、蒸発器３２では、熱媒体が外気から吸熱できる。なお、外気温度が０℃〜マイナスである場合、蒸発器３２に霜が付着してしまう。

吸熱器３２で外気から吸熱して昇温された熱媒体は、アキュームレータ３６を経由して圧縮機１８に供給される。このアキュームレータ３６には、冷却器１６に供給されて空間ユニット１０内に吸込まれた空気流から吸熱した熱媒体も供給される。かかるアキュームレータ３６は、液体成分を貯めてガス成分のみを圧縮機１８に再供給できるタイプのアキュームレータであるため、確実に熱媒体のガス成分のみを圧縮機１８に供給できる。

このアキュームレータ３６としては、蓄圧器用タイプのアキュームレータを用いることができる。
尚、アキュームレータ３６を設置しなくても、吸熱器３２で空気流から吸熱して昇温された熱媒体と、冷却器１６に供給されて空間ユニット１０内に吸込まれた気体から吸熱した熱媒体とを合流して、圧縮機１８に再供給できればよい。

なお、蒸発器３２の下流側の配管には、蒸発器３２から吐出された熱媒体の温度を測定する温度センサ７０が設けられている。この温度センサ７０で測定された温度は、上述した温度制御部２２へ入力される。
そして、温度制御部２２では、入力された温度に基づいて、各制御弁の開閉制御を行い、デフロストを実行することができる。

例えば、温度センサ７０で検出された温度が、マイナスであった場合には、温度制御部２２は、第１の制御弁５８と第２の制御弁５９を閉とし、第３の制御弁６０と第４の制御弁６４を開とすることで、蒸発器３２と第２の蒸発器６２とを切り換え、霜が付いた蒸発器３２を加熱回路から切り離し、ヒータ６６をオンにする。このように、第２の蒸発器６２が加熱回路へ接続されるので運転を停止することなく、蒸発器３２はデフロストを実行できる。

なお、温度センサの設置位置は、上述したような蒸発器３２の下流側配管に設けることには限定されず、単に外気温を測定するように設けられていてもよい（図示せず）。
外気温を測定する温度センサは、測定した外気温を温度制御部２２へ入力させ、温度制御部２２は、外気温が所定の温度以下になったときに蒸発器３２と凝縮器２６との切り換えを実行する。

さらに、第２の蒸発器６２を用いて加熱回路を運転していると、所定の条件で第２の蒸発器６２に霜が付着する。かかる場合、第２の蒸発器６２のデフロストを実行する必要がある。
第２の蒸発器６２のデフロストは、温度制御部２２は、第１の制御弁５８と第２の制御弁５９を開とし、第３の制御弁６０と第４の制御弁６４を閉とすることで、蒸発器３２と第２の蒸発器６２とを切り換え、霜が付いた第２の蒸発器６２を加熱回路から切り離し、ヒータ６６をオンにすることで実行できる。

なお、第２の蒸発器６２の下流側に温度センサ７１を設け、測定された温度が温度制御部２２に入力されることによって、温度制御部２２は、第２の蒸発器６２の温度に基づいて各制御弁の開閉制御を行い、第２の蒸発器６２のデフロストを実行することができる。

また、圧縮機１８の上流側に、圧縮機１８に流入される熱媒体の圧力を測定する圧力センサ８４を設け、圧力センサ８４で測定した圧力値が温度制御部２２に入力されるように構成してもよい。温度制御部２２では、測定された圧力値が予め設定された閾値以下の場合には、蒸発器３２と凝縮器２６とを切り換えるように上述した各制御弁を制御し、デフロストを実行する。
すなわち、蒸発器３２から吐出された熱媒体が所定の圧力以下である場合とは、熱媒体が蒸発器３２で蒸発することができず液体のままの状態であることが考えられる。これは、蒸発器３２に霜が付着して熱交換機能がはたらかなかったためである。そこで、圧縮機１８の上流側（つまり蒸発器３２の下流側）における熱媒体の圧力を測定することで、デフロストを実行するタイミングを計ることができる。

なお、デフロストの実行のための蒸発器３２と第２の蒸発器６２との切り換えは、上述したような温度センサの温度検出に基づく切り換え、または圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えのいずれを採用してもよい。
さらに、温度センサの温度検出に基づく切り換え、および圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えの双方を併用してもよい。

上述してきたように、温度調整装置５２では、比例三方弁２０によって加熱回路側に分配する高温の熱媒体と冷却回路側に分配する高温の熱媒体との分配比率を、空間ユニット１０内の温度に応じて実質的に連続して変更できる。
このため、温度調整装置５２では、加熱回路及び冷却回路に高温の熱媒体が常時供給されており、加熱回路の加熱器１４と冷却回路の冷却器１６とを通過する温湿度調整対象の空気流の微小な負荷変動は、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の熱媒体の分配比率を比例三方弁２０によって直ちに微小調整することによって迅速に対応でき、応答性を向上できる。

このような冷却回路の凝縮器２６には、外気がファン２７によって供給されている。かかる外気は、凝縮器２６内で７０℃程度の熱媒体によって３０℃程度に加熱されて吐出される。凝縮器２６から吐出される外気は、ヒートポンプの吸熱手段としての蒸発器（吸熱器）３２に加熱源として供給されてもよい。

ところで、加熱器１４で放熱した熱媒体は、膨張弁３４によって断熱的に膨張して冷却されているが、膨張弁３４での断熱膨張による冷却では、熱媒体と外部との間での熱のやり取りはない。このため、断熱的に冷却された熱媒体は、外部から凝縮器２６を経由して吸熱器３２に供給された外部熱媒体としての外気から吸熱できる。

従って、圧縮機１８から吐出される高温の熱媒体には、圧縮機１８による圧縮動力エネルギーに、ヒートポンプとしての吸熱器３２によって外部から供給された外気より吸熱したエネルギーを加えることができる。

この様に、図１に示す温度調整装置では、その加熱回路の加熱能力をヒートポンプの設置によって向上でき、且つ比例三方弁２０によって加熱回路側に分配する高温の熱媒体と冷却回路側に分配する高温の熱媒体との分配比率を、空間ユニット１０内の温度に応じて実質的に連続して変更できる。

（第２の実施形態）
次に、上述した第1の実施形態に湿度調整機能を加えた実施形態について、図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態では、加熱器１４と冷却器１６との間に、水を噴霧する噴霧ノズル８０を設け、噴霧ノズル８０の噴霧量を制御することで湿度調整を行う湿度制御部８２とを具備している。

湿度制御部８２では、空間ユニット１０の空気吹出口に設けられた湿度センサ２９によって測定された測定湿度と設定された設定湿度（操作者が図示しない入力スイッチを操作することによって湿度制御部８２に入力された湿度）とを比較し、測定湿度が設定湿度と一致するように水量制御弁２３を調整し、噴霧ノズル８０へ供給する水分量を調整することによって、空間ユニット１０内に吸込まれた空気を所定湿度に調整する。

噴霧ノズル８０には、水タンク１２０に貯留されている純水がポンプ１２２および水供給配管１２４に設けられた上記水量制御弁２３を経由して供給される。噴霧ノズル８０は圧縮空気によって水を霧状にして噴霧する２流体ノズルで形成され、この圧縮空気は配管１２８を経由して噴霧ノズル８０に供給される。
水タンク１２０には、通常水を純水器１３０に供給して得た純水が貯留されている。この水タンク１２０の純水の貯留量は、純水供給配管１３２に設けられた制御弁１３４によって一定に保持されている。

上記噴霧ノズル８０、水量制御弁２３等によって加湿器が構成される。
なお、加湿器の噴霧ノズル８０は、２流体ノズルでなく、超音波によって水を噴霧するノズル（超音波加湿器）であってもよく、あるいは場合によっては工場排熱等による水蒸気そのものを噴出するノズル（蒸気加湿器）であってもよい。

なお、湿度制御部８２に設定する設定湿度は、上述したように任意に設定できるようにしてもよいし、予め湿度制御部８２の記憶手段に記憶させておいてもよい。更に、湿度センサ２９は、空気流の吹出口側に設置されているが、ファン１２の吸入側に設置してもよく、吹出口側及び吸入側の両方に設けてもよい。

なお、本実施形態の蒸発器３２と第2の蒸発器６２とは、デフロストのために切り換え可能に配管されている。デフロストの実行のための蒸発器３２と第２の蒸発器６２との切り換えは、上述した第１の実施形態のように、温度センサの温度検出に基づく切り換え、または圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えのいずれを採用してもよい。さらに、温度センサの温度検出に基づく切り換え、および圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えの双方を併用してもよい。

（第３の実施形態）
また、温度調整装置５２に用いた分配手段としての比例三方弁２０に代えて、図３に示す様に、２個の二方弁としての二方弁３８ａ，３８ｂを用いることができる。２個の二方弁３８ａ，３８ｂの各々は、温度制御部２２によって制御されている。かかる温度制御部２２によって、二方弁３８ａ，３８ｂの各々の開度を調整し、圧縮機１８で圧縮・加熱された気体状の高温の熱媒体を加熱回路と冷却回路とに分配する分配比率を実質的に連続して調整し、加熱器１４と冷却器１６とを通過する空気流を所定温度に制御する。
その際に、加熱器１４側に分配する高温の熱媒体量と冷却器１６側に分配する高温の熱媒体量との合計量が、圧縮機１８から吐出された高温の熱媒体量と等しくなるように、二方弁３８ａ，３８ｂの開度を調整して連続的に比例分配される。

図４に示す様に、二方弁３８ａ，３８ｂの各々におけるバルブ開度と流量との関係は直線状でない。このため、温度制御部２２では、図４に示す二方弁３８ａ，３８ｂの各々についての流量特性データを保持し、温度制御部２２からは、二方弁３８ａ，３８ｂの各流量特性に基づいて各二方弁３８ａ，３８ｂへの開度信号を発信する。

（第４の実施形態）
上述してきた温度調整装置における加熱器１４と冷却器１６とによる温度調整対象としての空気流の温度調整では、例えば、温度調整対象の空気流に対して冷却側にある場合、空気温度が安定する運転状態では、図５（ａ）に示す様に、冷却器１６で冷却した空気流を加熱器１４で加熱している。このような運転状態では、空気流を冷却するに要するエネルギーＡに比較して、加熱器１４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５（ｂ）に示す様に、冷却器１４と加熱器１６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、温度調整対象の空気流に対して加熱側にある場合、空気流の温度が安定する運転状態では、図６（ａ）に示す様に、加熱器１４で加熱した空気を冷却器１６で冷却している。図６（ａ）に示す運転状態では、空気流を加熱するに要するエネルギーＢに比較して、冷却器１６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６（ｂ）に示す様に、冷却器１６と加熱器１４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量分をゼロとすべく、加熱器１４と冷却器１６とに高温の熱媒体の供給をＯＮ−ＯＦＦ制御すると、温度調整装置５２の運転が不安定となり、空気流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５２を安定運転できる程度には、加熱器１４に加えられる加熱量と冷却器１６に加えられる冷却量のうち、互いに打ち消し合う熱量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量分は、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。

この様に、冷却器１６と加熱器１４との重複するエネルギーを少なくできるように、図７に示す温度調整装置では、加熱器１４に加えられる加熱量と冷却器１６に加えられる冷却量のうち、互いに打ち消し合う熱量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を介して第２制御部２２ｂによって制御している。
尚、図７に示す温度調整装置を構成する構成部材のうち、図１に示す温度調整装置の構成部材と同一部材は、図１の符号と同一番号を付して、詳細な説明を省略する。

第２制御部２２ｂは、比例三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと協働して、加熱器１４に加えられる加熱量と冷却器１６に加えられる冷却量のうち、互いに打ち消し合う熱量分を可及的に少なくしつつ、空気流の精密温度制御を行う。
第１制御部２２ａによる比例三方弁２０の制御と第２制御部２２ｂによる圧縮機１８の回転数の制御とを図８のフローチャートに示す。

図７に示す温度調整装置を試運転したところ、空気流に対して冷却側で運転する場合は、加熱器１４に加えられる加熱量として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体の分配率を５〜１５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温の第１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、空気流に対して加熱側で運転する場合は、加熱器１４側に加えられる加熱量として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体の分配率を９５〜８５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温の第１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８のフローチャートに示す制御では、加熱器１４側に加えられる加熱量、具体的には比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体の分配率を、空気流に対して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、空気流に対して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８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で空気流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の熱媒体の分配比率を連続的に変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた空気流を所定温度に調整する。

かかる空気流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、空気流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。

一方、空間ユニット１０内の空気流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の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８に示す高温の第１熱媒体の平均分配率とは、加熱器１４側に分配される高温の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の分配率の平均をとった値であって、以下、単に熱媒体の平均分配率と称することがある。

先ず、ステップＳ１６とステップＳ１８とでは、空気流に対して冷却側にあると仮定したとき、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が５〜１５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が５〜１５％内にある場合は、空気流に対して冷却側にあり、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Ｓ１６に戻る。

一方、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が５％未満である場合には、加熱器１４側への熱媒体の平均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側への熱媒体の平均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、第２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。

尚、圧縮機１８の回転数を変化させる最小変化量は、温度調整装置によって異なるため、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側への熱媒体の平均分配率が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、空気流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、空気流が加熱側にあると仮定したとき、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が９５〜８５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が８５〜９５％内にある場合は、空気流が加熱側にあり、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Ｓ１６に戻る。

一方、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が９５％を超えている場合には、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率が高過ぎ、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側への熱媒体の平均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、第２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側への熱媒体の平均分配率が８５％未満の場合には、ステップＳ２２において、空気流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に加えられる加熱量と冷却器４４に加えられる冷却量のうち、互いに打ち消し合う熱量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、第２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、空気流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が運転中か否か判断して、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内の空気流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内の空気流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側への熱媒体の平均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内の空気流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側とに分配する熱媒体の分配比率を連続的に変更する。空間ユニット１０内の空気流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、第１制御部２２ａ及び第２制御部２２ｂによる制御は停止する。
以上、説明してきた図８に示すフローチャートでは、第１制御部２２ａでは、加熱器１４側への熱媒体の平均分配率に注目して制御しているが、冷却器１６側への熱媒体の平均分配率に注目して制御してもよい。

なお、本実施形態の蒸発器３２と第2の蒸発器６２とは、デフロストのために切り換え可能に配管されている。デフロストの実行のための蒸発器３２と第２の蒸発器６２との切り換えは、上述した第１の実施形態のように、温度センサの温度検出に基づく切り換え、または圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えのいずれを採用してもよい。さらに、温度センサの温度検出に基づく切り換え、および圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えの双方を併用してもよい。

（第５の実施形態）
上述してきた温度調整装置では、温度調整対象が空気流であったが、工作機械等に用いられる冷却液を温度調整対象とする温度調整装置にも適用できる。かかる温度調整対象としての冷却液の温度調整装置の一例を図９に示す。なお、上述した実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。

図９に示す冷却液の温度調整装置では、インバータ１９によって所定回転数で回転するように制御されている圧縮機１８で圧縮された高温の熱媒体は分配手段としての比例三方弁２０によって加熱回路と冷却回路とに分配される。
かかる比例三方弁２０は、加熱回路側に分配する高温の熱媒体量と冷却回路側に分配する高温の熱媒体量との合計量が圧縮機から吐出された高温の熱媒体量と等しくなるように、圧縮機１８で圧縮された高温の熱媒体を比例分配する。この比例三方弁２０は、温度制御部２２で制御されており、後述する様に、温度調整装置５２の出口の冷却液の温度を測定する温度センサ４２からの信号に基づいて、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の熱媒体の分配率を連続的に変更して、冷却液を所定温度に調整する。

圧縮機１８から吐出された高温の熱媒体の一部が分配された冷却回路には、分配された高温の熱媒体を冷却する冷却手段として、高温の熱媒体を凝縮する凝縮器２６と、凝縮器２６によって凝縮された熱媒体を断熱的に膨張して更に冷却する膨張手段としての膨張弁２８と、この冷却された熱媒体が供給される冷却器４４とが設けられている。この冷却器４４には、貯留槽４６に貯留されているＵＳＥＲから戻った温度調整対象の冷却液がポンプ４７によって供給されて冷却される。冷却器４４で吸熱して昇温された熱媒体は、アキュームレータ３６に戻り圧縮機１８に供給される。

また、加熱回路には、高温の熱媒体が供給される加熱手段としての加熱器４８が設けられている。この加熱器４８には、冷却器４４で冷却された温度調整対象の冷却液が供給され、供給された高温の熱媒体によって所定温度に調整されてＵＳＥＲに送液される。
かかる加熱回路には、ヒートポンプ手段の蒸発器（吸熱器）３２が設けられている。この吸熱器３２には、加熱器４８で放熱して凝縮した熱媒体を膨張手段としての膨張弁３４で断熱的に膨張して更に冷却して供給される。外気から吸熱した熱媒体はアキュームレータ３６に戻り圧縮機１８に供給される。

なお、本実施形態の蒸発器３２と第2の蒸発器６２とは、デフロストのために切り換え可能に配管されている。デフロストの実行のための蒸発器３２と第２の蒸発器６２との切り換えは、上述した第１の実施形態のように、温度センサの温度検出に基づく切り換え、または圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えのいずれを採用してもよい。さらに、温度センサの温度検出に基づく切り換え、および圧力センサによる圧力検出に基づく切り換えの双方を併用してもよい。

図９に示す冷却液の温度調整装置でも、比例三方弁２０に代えて、図３に示す様に、２個の二方弁としてのゲートバルブ３８ａ，３８ｂを用いることができる。

以上、説明した図９に示す温度調整装置にも、冷却器４４と加熱器４６との重複するエネルギーを少なくできるように、図７に示す温度調整装置と同様に、第２制御部２２ｂを設けて圧縮機１８を制御するインバータ１９を介して圧縮機１８の回転数を制御するようにしてもよい。この場合も、第1制御部２２ａと協働して図８に示すフローチャートに従って加熱器４８に加えられる加熱量と冷却器４４に加えられた冷却量のうち、互いに打ち消し合う熱量分を可及的に少なくしつつ、温度調整対象の冷却液の精密温度制御を行う。

また、図１〜図９に示す温度調整装置で用いた加熱器１４，４８、冷却器１４，４４、凝縮器２６、吸熱器３２は、温度差を有する二つの流体が向流又は並流として流れる公知の熱交換器を用いることができる。例えば、二重管、フィン付き管或いはプレート式熱交換器等を好適に用いることができる。
熱効率が要求される吸熱器３２としては、複数枚のプレート状のフィンを積層した積層体に複数本の伝熱管を挿通したプレート式熱交換器を好適に用いることができる。

また、上述した蒸発器と第２の蒸発器との切り換えは、一旦全部（４個）の制御弁を全開状態とし、その後徐々に所望の状態となるように各制御弁を切り換えていくようにしてもよい。
このようにすることで、熱媒体の流れの急激な変化を緩和することができ、よりスムーズな切り換えが可能となる。

また、デフロスト実行時の４個の制御弁の切り換え制御において、４個の制御弁の切り換え時に、一定期間圧縮機の回転数を増加させて、加熱回路の加熱能力がデフロスト実行の影響で低下しないように制御してもよい。

さらに、上述した各実施形態では、蒸発器および凝縮器が外気と熱交換する空冷タイプの温度調整装置においてデフロストする場合について説明してきた。しかし、水冷タイプの温度調整装置においても、寒冷地などで冷却水が凍結するおそれがある場合が考えられる。このような状況で、その凍結を除去する場合においても、本発明のように加熱回路の蒸発器と第２の蒸発器とを切り換えるようにしてもよい。

本発明に係る温度調整装置の第１の実施形態を説明する概略図である。 本発明に係る温度調整装置の第２の実施形態を説明する概略図である。 他の分配手段を説明する説明図である。 分配手段で用いる二方弁の流量特性を示すグラフである。 図１に示す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。 図１に示す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。 本発明に係る温度調整装置の他の例を説明する概略図である。 図７に示す温度調整装置の第１制御部２２ａと第２制御部２２ｂと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。 本発明に係る温度調整装置の他の例を説明する概略図である。 従来の温度調整装置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
１４，４８ 加熱器
１６，４４ 冷却器
１８ 圧縮機
２０ 分配器
２２ 温度制御部
２３ 水量制御弁
２４ 温度センサ
２６ 凝縮器
２７ ファン
２８ 膨張弁
２９ 湿度センサ
３２ 吸熱器
３２ 蒸発器
３３ ファン
３４ 膨張弁
３６ アキュームレータ
３８ａ，３８ｂ 二方弁
４２ 温度センサ
４６ 貯水槽
４７ ポンプ
５２ 温度調整装置
５６，５７ 分岐管
５８，５９，６０，６４ 制御弁
６６ ヒータ
７０，７１温度センサ
８０ 噴霧ノズル
８２ 湿度制御部
８４ 圧力センサ
１２０ 水タンク
１２２ ポンプ
１２４ 水供給配管
１２８ 配管
１３０ 純水器
１３２ 純水供給配管
１３４ 制御弁

Claims (7)

1. 圧縮機で圧縮されて送り出される熱媒体が分配器によって分配され、加熱器（凝縮器）、膨張弁、外部熱源である外部熱媒体から吸熱する蒸発器、圧縮機の順に循環される加熱回路と、
   前記分配器によって加熱回路側に分配された熱媒体の残余部が分配され、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、膨張弁、冷却器（蒸発器）、圧縮機の順に循環される冷却回路とを具備し、
   前記加熱器及び前記冷却器を通過する流体を所定温度に調整する温度調整装置において、
   前記加熱回路の蒸発器と並列に第２の蒸発器が設けられ、前記加熱回路では、蒸発器と第２の蒸発器とを切り換えて使用できるように設けられていることを特徴とする温度調整装置。
2. 前記第２の蒸発器は、前記膨張器の下流側と前記蒸発器の上流側との間で分岐した第1の分岐路と、前記蒸発器の下流側と前記圧縮機の上流側との間で分岐した第２の分岐路とによって、加熱回路に接続して成ることを特徴とする請求項１記載の温度調整装置。
3. 前記加熱回路の蒸発器の下流側に温度センサが設けられ、
   該温度センサが検出した温度が所定温度以下となった場合には、前記加熱回路の蒸発器と前記第２の蒸発器とを切り換えるように制御する制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の温度調整装置。
4. 前記圧縮機の上流側には熱媒体の圧力を検出する圧力センサが設けられ、
   前記制御手段は、前記圧力センサが検出した圧力が所定圧力以下となった場合には、前記加熱回路の蒸発器と前記第２の蒸発器とを切り換えるように制御することを特徴とする請求項３記載の温度調整装置。
5. 前記蒸発器および前記第２の蒸発器には、デフロスト用のヒータが設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項記載の温度調整装置。
6. 前記加熱回路の蒸発器および前記冷却回路の凝縮器は室外に設置され、
   前記外部熱源は、外気であることを特徴とする請求項１〜請求項５のうちいずれか１項記載の温度調整装置。
7. 前記加熱器及び前記冷却器の間に、水を噴霧する加湿器を設け、
   該加湿器の噴霧量を制御することによって、前記加熱器及び前記冷却器を通過する流体を所定湿度に調整する湿度制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項記載の温度調整装置。

Images