JP2010007963A

JP2010007963A - 温度調整装置

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Publication number: JP2010007963A
Application number: JP2008167937A
Authority: JP
Inventors: Takeo Matsumoto; 竹雄松本; Akira Shimizu; 明清水; Shoichi Kobayashi; 正一小林
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP5223152B2

Abstract

【課題】温度調整対象の流体に対する加熱能力を向上できると共に、省エネルギーを図ることができ、且つ圧縮機から吐出された潤滑油を圧縮機に可及的に還流できる温度調整装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１８から吐出した高温の第１熱媒体の一部を加熱器１４に供給すると共に、高温の第１熱媒体の残余部を凝縮・冷却してから断熱的に膨張して冷却し冷却器１６に供給する比例三方弁２０と、加熱器１４で冷却・凝縮してから断熱的に膨張して冷却した第１熱媒体が、外部熱原としての空気流から吸熱する吸熱器３２と、冷却器１６と吸熱器３２で吸熱して昇温された熱媒体を合流し圧縮機１８に供給する供給手段と、比例三方弁２０を制御する制御部２２とが設けられ、圧縮機１８と比例三方弁２０との間の配管に、圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体中に含有する潤滑油を分離して圧縮機１８に還流するオイルセパレータ１９が設けられる。
【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を通過する温度調整対象の流体を所定温度に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。
この様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、例えば下記特許文献１に図９に示す温度調整装置が記載されている。
図９に示す温度調整装置には、圧縮機１００、三方弁１０２、凝縮器１０４及び膨張弁１０６及び冷却器１０８から成る冷却回路と、圧縮機１００、三方弁１０２、加熱器１１０及び膨張弁１０６から成る加熱回路とが設けられている。
冷却器１０８と加熱器１１０とによって、ファン１１２により送風される温度調整対象の空気流の温度が調整される。

かかる温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の第１熱媒体を三方弁１０２によって、冷却回路と加熱回路とに分配する。冷却回路側に分配された高温の第１熱媒体は、凝縮器１０４で冷却・凝縮される。この冷却・凝縮された第１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により送風される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第１熱媒体は圧縮機１００に供給される。
一方、加熱回路側に分配された高温の第１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、冷却器１０８で冷却された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第１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９に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温第１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により送風される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によって加熱回路側に分配する高温第１熱媒体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、精密な温度管理がなされている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９に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の第１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により送風される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で圧縮された高温第１熱媒体の再加熱によって行われる。

従って、図９に示す温度調整装置で採用された温度制御方式では、加熱に使用した第１熱媒体も冷却回路に流すため、加熱できる熱量は圧縮機の動力の熱量のみとなり、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となっている。
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。
この様な、図９に示す温度調整装置の加熱量不足を補うべく、図１０に示す様に、補助電気ヒータ１１４を設けることが考えられるが、エネルギー的に無駄である。
また、図９及び図１０に示す温度調整装置で用いる圧縮機１００としては、通常、潤滑油が用いられた圧縮機が採用され、吐出される高温の第１熱媒体中に潤滑油が混入する。かかる圧縮機１００から吐出された第１熱媒体中の潤滑油は、第１熱媒体に伴って三方弁１０２を通過して、その一部は加熱器１１０を経由してから、凝縮器１０４を通過した残部の潤滑油と合流して膨張弁１０６及び冷却器１０８を経由して圧縮機１００に還流される。
しかし、圧縮機１００から吐出された第１熱媒体中の潤滑油は、複雑で且つ上下する流路内を通過するうちに、冷却されて流路内に次第に蓄積され、圧縮機１００に還流される潤滑油量が減少する。かかる流路内に蓄積される潤滑油が多くなり、圧縮機１００に還流する潤滑油量が著しく少なくなったとき、圧縮機１００が破損するおそれがある。
そこで、本発明では、温度調整対象の流体に対する加熱能力が不足し、補助電気ヒータ等の補助加熱手段を設けることを必要とし、且つ圧縮機から吐出された潤滑油が流路内に蓄積され易い従来の温度調整装置の課題を解決し、温度調整対象の流体に対する加熱能力を向上できると共に、省エネルギーを図ることができ、且つ圧縮機から吐出された潤滑油を圧縮機に可及的に還流できる温度調整装置を提供することにある。

本発明者等は、前記課題を達成すべく検討したところ、温度調整対象の流体に対する加熱能力を向上できると共に、省エネルギーを図る点については、冷却回路と加熱回路とを設けること、冷却回路の冷却手段及び加熱回路の加熱手段を通過する温度調整対象の流体に対する冷却量と加熱量とを変更可能な分配手段を設けること、及び加熱回路の加熱能力を向上すべく、低温の部分から温度の高い部分へ熱を移動できるヒートポンプ手段を設けることが有効であることが判明した。
また、圧縮機から吐出された潤滑油を圧縮機に可及的に還流するには、圧縮機から分配手段に至る配管に、圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータを設けることによって可能となることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、吐出される圧縮気体中に潤滑油が同伴する圧縮機が用いられ、前記圧縮機で圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体の一部が加熱手段に供給される加熱回路と、前記高温の第１熱媒体の残余部が凝縮器で冷却されてから第１膨張手段で断熱的に膨張して更に冷却されて冷却手段に供給される冷却回路とが設けられ、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に調整するように、前記高温の第１熱媒体が加熱回路と冷却回路とに分配され、且つ前記加熱回路と冷却回路との各々を通過した第１熱媒体が合流して圧縮機に再供給される温度調整装置であって、前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体の一部を前記加熱回路側に分配すると共に、前記高温の第１熱媒体の残余部を冷却回路側に分配し、且つ前記加熱回路と冷却回路とに分配される第１熱媒体の分配率を変更可能な分配手段と、前記加熱回路の加熱能力が向上するように、前記加熱手段で熱を放出して冷却されてから第２膨張手段で断熱的に膨張されて更に冷却された第１熱媒体が、外部熱源である第２熱媒体から吸熱する吸熱器を具備するヒートポンプ手段と、前記分配手段を制御し、前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の熱媒体の分配比率を調整して、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に制御する制御部とを具備し、前記圧縮機から分配手段に至る配管に、前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータが設けら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、圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータを、前記分配手段から加熱手段に至る配管と前記分配手段から凝縮器に至る配管とに設けることによって、高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油が分配手段の潤滑油として利用した後、第１熱媒体中から分離して圧縮機に還流できる。

本発明に係る温度調整装置では、加熱回路の加熱手段と冷却回路の冷却手段との各々に、圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体が供給される。更に、分配手段によって、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を変更して、加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体に対する加熱量と冷却量とを容易に調整できる。
しかも、本発明の温度調整装置では、ヒートポンプ手段を設けている。このヒートポンプ手段は、低温の部分から温度の高い部分へ熱を移動できる手段であるため、圧縮機によって圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体（温度の高い部分）のうち、加熱回路の加熱手段で熱を放出して冷却してから第２膨張手段で断熱的に膨張して更に冷却した第１熱媒体を、ヒートポンプ手段を構成する吸熱器によって、外部雰囲温度の空気流（温度の低い部分）から吸熱し昇温して圧縮機に戻すことができる。
このため、本発明の温度調整装置では、圧縮機から吐出される高温の第１熱媒体（温度の高い部分）には、圧縮機による圧縮動力エネルギーに、ヒートポンプ手段によって外部雰囲温度の空気流（温度の低い部分）から吸熱されたエネルギーを加えることができ、高温の第１熱媒体が供給される加熱手段の加熱能力を向上できる。

また、本発明に係る温度調整装置では、圧縮機から分配手段に至る配管に、圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータが設けられている。
従って、高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油は、圧縮機から吐出された直後にオイルセパレータによって第１熱媒体から除去され、圧縮機に還流される。このため、オイルセパレータを通過した第１熱媒体中の潤滑油の含有量を可及的に少なくでき、分配手段等の他の構成部材中に潤滑油が貯留される事態を回避できる。その結果、圧縮機に還流される潤滑油が不足し、圧縮機が破壊されるおそれを解消できる。

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には、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、ファン１２によって吸込んだ流体としてのクリーンルーム内の温度及び湿度が調整された空気を更に精密に温度調整する加熱回路と冷却回路とが設けられている。
かかる加熱回路を構成する加熱手段としての加熱器１４と冷却回路を構成する冷却手段としての冷却器１６とが設けられ、空間ユニット１０内にファン１２によって吸引されたクリーンルーム内の空気を冷却した後、加熱して精密に温度調整する。この冷却器１６と加熱器１４との空気流に対する配置によれば、加熱器１４及び冷却器１６を通過する空気流の除湿を更に向上できる。
かかる加熱器１４及び冷却器１６には、第１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、第１熱媒体の気化・液化によってクリーンルーム内の空気を加熱・冷却して所定の温度に調整する。
この様な第１熱媒体は、吐出される圧縮気体中に潤滑油が同伴する圧縮機１８によって圧縮・加熱されて高温（例えば７０℃）の気体状となって吐出される。圧縮機１８から吐出された高温の第１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する。

かかる圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体中には、潤滑油が含有されている。このため、図１に示す温度調整装置では、高温の第１熱媒体中の潤滑油は、圧縮機１８と比例三方弁２０との間の配管に設けられたオイルセパレータ１９によって分離し、潤滑油の含有量を可及的に減少した高温の第１熱媒体を比例三方弁２０に供給する。このため、比例三方弁２０等の構成部材に潤滑油が貯留されて圧縮機１８に還流される潤滑油が不足することに因る圧縮機１８の破損のおそれを解消できる。
オイルセパレータ１９によって分離された潤滑油は、戻し配管によって圧縮機１８の吐出側に戻される。かかるオイルセパレータ１９としては、汎用されているオイルセパレータを用いることができるが、例えばオイルセパレータの容器の底部に分離された潤滑油が所定量貯まったとき、フロート弁等の弁が開いて、貯留された潤滑油がオイルセパレータと圧縮機１８の供給口との圧力差によって圧縮機１８の供給口に戻るものを好適に用いることができる。
比例三方弁２０では、加熱回路側に分配する高温の第１熱媒体と冷却回路側に分配する高温の第１熱媒体との合計量が圧縮機１８から吐出された高温の第１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によって制御されている。この制御部２２では、空間ユニット１０内に設けられた温度センサー２４によって測定された温度信号と目標設定温度とを比較判定手段によって比較して、加熱回路側と冷却回路側とに分配する高温の第１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内に吸込まれた流体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。
かかる制御部２２に設定する目標設定温度は、任意に設定できるようにしてもよい。また、図１に示す温度センサー２４は、ファン１２の吐出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、ファン１２の吐出側及び吸入側に設けてもよい。

加熱回路側に分配された高温の第１熱媒体は、加熱器１４に直接供給され、空間ユニット１０内に、ファン１２によって吸引されて冷却器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、高温の第１熱媒体は、加熱器１４で放熱して冷却されて凝縮液を含む第１熱媒体となる。
加熱器１４で放熱した第１熱媒体は、膨張弁３４によって断熱的に膨張され、外部雰囲気温度よりも低温（１０℃程度）に冷却される。冷却された第１熱媒体は、吸熱器３２に供給されて、吸熱器用ファンであるファン３０ａによって供給される第２熱媒体である外部雰囲気温度の空気流との温度差に基づいて空気流から吸熱できる。
一方、冷却回路側に分配された高温の第１熱媒体は、凝縮器２６によって冷却されてから膨張手段としての膨張弁２８によって断熱的に膨張され、外部雰囲気温度よりも低温に冷却される（例えば、１０℃に冷却）。冷却された第１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し、その際に、冷却器１６に供給された第１熱媒体は空気流から吸熱して昇温される。
かかる凝縮器２６には、冷却器１６側に分配された高温の第１熱媒体を冷却する冷却用として、外部雰囲気温度の空気流が凝縮用ファンとしてのファン３０ｂによって供給される。
この様に、吸熱器３２と冷却器１６とで吸熱した第１熱媒体は、合流してアキュームレータ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内に吸込まれた流体から吸熱した第１熱媒体も供給される。かかるアキュームレータ３６は、蓄圧器用タイプのアキュームレータを用いた。
アキュームレータ３６としては、確実に第１熱媒体のガス成分のみを圧縮機１８に供給すべく、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と冷却器１６とを通過した第１熱媒体を合流して、圧縮機１８に再供給できればよい。

図１に示す温度調整装置では、加熱器１４で放熱した第１熱媒体を、膨張弁３４によって断熱的に膨張して冷却しているが、膨張弁３４での断熱膨張による冷却では、第１熱媒体と外部雰囲気との間での熱の遣り取りはない。このため、断熱的に冷却された第１熱媒体は、ファン３０ｂによって外部から外部雰囲気温度の空気流が凝縮器２６を経由して吸熱器３２に供給された空気流から吸熱できる。
従って、圧縮機１８から吐出される高温の第１熱媒体には、圧縮機１８による圧縮動力エネルギーに、ヒートポンプ手段の吸熱器３２によって外部から供給された外部雰囲気温度の空気流から吸熱したエネルギーを加えることができる。その結果、補助ヒータ等の他の加熱手段を用いることを要しない。

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向上でき、比例三方弁２０によって加熱回路側に分配する高温の第１熱媒体と冷却回路側に分配する高温の第１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変更できる。
このため、図１に示す温度調整装置では、加熱回路及び冷却回路に高温の第１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第１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。
その結果、加熱回路の加熱器１４と冷却回路の冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気流の温度を設定温度に対して±０．１℃以下の精度で制御でき、図１に示す温度調整装置が設置された空間ユニット１０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。

また、図１に示す温度調整装置では、加熱回路の加熱能力が向上されているため、加熱器１４と冷却器１６と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でも、比例三方弁２０によって高温の第１熱媒体の分配比率を冷却回路よりも加熱回路に分配する分配比率を大幅に高くすることによって、温度調整対象の空気流を所定温度に迅速に調整できる。
その結果、例えば、図９に示す温度調整装置では、その温度設定範囲が２０〜２６℃程度であるが、図１に示す温度調整装置では、その温度設定範囲を１８〜３５℃と大幅に拡大できる。
更に、図１に示す温度調整装置では、加熱回路の加熱能力が向上され、補助ヒータ等の他の加熱手段を用いることを要しないため、図１０に示す補助ヒータ１１４を設けた温度調整装置に比較して、大幅な省エネルギーを図ることができる。
例えば、図１０に示す補助ヒータ１１４を設けた温度調整装置では、全消費エネルギーの内訳は、圧縮機１００が１８％、補助ヒータ１１４が６９％、及び送風機１１２が１３％である。この点、図１に示す温度調整装置では、補助ヒータ１１４の消費エネルギーをカットできる。
このため、吐出量が２０ｍ^３／min程度の水冷式空調機に、図１０示す温度調整装置の方式を適用した場合には、最大消費電力が１１．７KWであったが、図１に示す温度調整装置の方式を適用すると、最大消費電力を２．４KW程度とすることができる。

図１に示す温度調整装置では、オイルセパレータ１９を圧縮機１８と比例三方弁２０との間に設けたが、図２に示す様に、比例三方弁２０から加熱器１４に至る配管にオイルセパレータ１９ａを設け、且つ比例三方弁２０から凝縮器２６に至る配管にオイルセパレータ１９ｂを設けてもよい。かかるオイルセパレータ１９ａ，１９ｂの各々に分離されて貯留された潤滑油は、圧縮機１８の供給側に戻される。
この様に、比例三方弁２０よりも下流側にオイルセパレータ１９ａ，１９ｂを設けることによって、比例三方弁２０に潤滑油が貯留される。このため、比例三方弁２０の潤滑油としても作用し、比例三方弁２０の作動をスムーズとすることができる。
ここで、比例三方弁２０に貯留される潤滑油量は、通常、使用されている潤滑油量に比較して少なく、圧縮機１８に還流される潤滑油が不足する事態は発生しない。
図１に示す温度調整装置のように、圧縮機１８から比例三方弁２０に至る配管にオイルセパレータ１９を設けることによって、或いは図２に示す温度調整装置のように、比例三方弁２０から加熱器１４に至る配管にオイルセパレータ１９ａを設け、且つ比例三方弁２０から凝縮器２６に至る配管にオイルセパレータ１９ｂを設けることによって、確実に潤滑油を圧縮機１８の供給側に戻すことができる。このため、図１及び図２に示す温度調整装置では、オイルセパレータを設けなかった場合に比較して、圧縮機１８を更に高速で回転できる。その結果、加熱回路の加熱能力及び冷却回路の冷却能力を向上させることができる。

図１及び図２に示す温度調整装置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ゲートバルブ３８ａ，３８ｂを用いることができる。２個のゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々は、制御部２２によって制御されている。かかる制御部２２によって、ゲートバルブ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第１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第１熱媒体量と冷却器１６側に分配する高温の第１熱媒体量との合計量が、圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体量と等しくなるように、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの開度を調整して連続的に比例分配される。
その際に、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々は、図４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、制御部２２では、図４に示すゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々についての流量特性データを保持し、制御部２２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３８ａ，３８ｂへの開度信号を発信する。
ここで、「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」或いは「分配比率を実質的に連続して調整」するとは、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂをステップ制御によって駆動し、加熱回路と冷却回路との分配比率を調整する際に、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの開度が、微視的にはステップ的に駆動されて調整されているものの、全体として連続して駆動されて調整されている場合を含むことを意味する。

ところで、図１及び図２に示す温度調整装置では、例えば、温度調整対象の空気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５（ａ）に示す様に、冷却器１６を含む冷却側部で冷却した空気を、加熱器１４を含む加熱側部で加熱している。図５（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５（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、温度調整対象の空気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６（ａ）に示す様に、加熱器１４を含む加熱側部で加熱した空気を冷却器１６を含む冷却側部で冷却している。図６（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６（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削減できれば、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、加熱器１４と冷却器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、加熱器１４と冷却器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。

この様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを削減できる温度調整装置を図７に示す。図７に示す温度調整装置では、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とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を連続的に変更して、加熱器１４と冷却器１６とを通過する温度調整対象の流体である空気を所定温度に調整するように分配手段としての比例三方弁２０を制御する比較判定手段が設けられた第１制御部２２ａと、加熱器１４と冷却器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削減できる高温の第１熱媒体の分配比率となるように、圧縮機１８の回転数を制御する回転数制御手段であるインバータ２１を介して圧縮機１８の回転数を変更する回転数変更手段が設けられた第２制御部２２ｂとから成る制御部２２が設けられている。この第２制御部２２ａの回転数変更手段には、圧縮機１８の回転数を変更する変更量が予め設定されている。
尚、図７に示す温度調整装置において、図１に示す温度調整装置と同一構成の構成部材については、図１と同一番号を付して詳細な説明を省略した。

かかる第２制御部２２ｂは、比例三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと共に制御部２２を構成している。この第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、温度調整対象の空気を冷却側で運転する場合は、加熱器１４に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体（図１６では、「高温熱媒体」と記載している）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、温度調整対象の空気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側への高温の第１熱媒体の分配率を、温度調整対象の空気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、温度調整対象の空気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ー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第１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の第１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の第１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の第１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、温度調整対象の空気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、加熱器１４と冷却器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が少なく、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、第２制御部２２ｂからインバータ２１に向けて、インバータ２１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の回転数変更手段に設定されている。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、温度調整対象の空気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、温度調整対象の空気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、加熱器１４と冷却器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が少なく、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２１に向けて、インバータ２１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、加熱器１４と冷却器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２１に向けて、インバータ２１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、加熱器１４と冷却器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削減するためである。
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。空間ユニット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、図１、図２及び図７では、温度調整対象が空気の温度調整装置を例示したが、温度調整対象が液体の温度調整装置にも、本発明を適用できる。
更に、凝縮器２６と吸熱器３２とは、個別にファンを設けて空気流を送っているが、凝縮器２６と吸熱器３２とを積層して一台のファンから空気流を送ってもよい。また、凝縮器２６と吸熱器３２とに、外部熱原として水を供給してもよい。

本発明に係る温度調整装置の一例を説明するための概略図である。本発明に係る温度調整装置の他の例を説明するための概略図である。図１及び図２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３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。本発明に係る温度調整装置において、温度調整対象の流体が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、温度調整対象の流体が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に示す制御部２２の動作を説明するためのフローチャートである。従来の温度調整装置を説明する概略図である。従来の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
１６冷却器
１８圧縮機
１９，１９ａ，１９ｂオイルセパレータ
２０比例三方弁
２１インバータ
２２制御部
２２ａ第１制御部
２２ｂ第２制御部
２４温度センサー
２６凝縮器
２８第１膨張弁
３０ａ，３０ｂファン
３２吸熱器
３４第２膨張弁
３６アキュームレータ
３８ａ，３８ｂゲートバルブ

Claims

吐出される圧縮気体中に潤滑油が同伴する圧縮機が用いられ、前記圧縮機で圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体の一部が加熱手段に供給される加熱回路と、前記高温の第１熱媒体の残余部が凝縮器で冷却されてから第１膨張手段で断熱的に膨張して更に冷却されて冷却手段に供給される冷却回路とが設けられ、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に調整するように、前記高温の第１熱媒体が加熱回路と冷却回路とに分配され、且つ前記加熱回路と冷却回路との各々を通過した第１熱媒体が合流して圧縮機に再供給される温度調整装置であって、
前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体の一部を前記加熱回路側に分配すると共に、前記高温の第１熱媒体の残余部を冷却回路側に分配し、且つ前記加熱回路と冷却回路とに分配される第１熱媒体の分配率を変更可能な分配手段と、
前記加熱回路の加熱能力が向上するように、前記加熱手段で熱を放出して冷却されてから第２膨張手段で断熱的に膨張されて更に冷却された第１熱媒体が、外部熱源である第２熱媒体から吸熱する吸熱器を具備するヒートポンプ手段と、
前記分配手段を制御し、前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の熱媒体の分配比率を調整して、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に制御する制御部とを具備し、
前記圧縮機から分配手段に至る配管に、前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータが設けられていることを特徴とする温度調整装置。
圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体中に含有されている潤滑油を分離して圧縮機の供給側に還流するオイルセパレータが、前記分配手段から加熱手段に至る配管と前記分配手段から凝縮器に至る配管とに設けられている請求項１記載の温度調整装置。