JP2014098521A - 環境試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置が故障しても試験室の温湿度を安定して制御すること。
【解決手段】環境試験装置の冷凍装置４０は、主冷媒回路４１ａおよび予備冷媒回路４１ｂと、ブラインが貯留され、該ブラインが両冷媒回路４１ａ，４１ｂの何れか一方の蒸発器４５ａ，４５ｂによって冷却される蓄熱槽５０と、蓄熱槽５０のブラインが供給され、該ブラインによって試験室内の空気を冷却および除湿する冷却熱交換器５４とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、異常検知装置およびそれを備えた環境試験装置に関するものである。

従来より、医薬品等の安定性試験では、所定の温度および所定の湿度の条件下における製品の性能を試験するために、例えば特許文献１に開示されているように、恒温恒湿槽（チャンバ）を備えた環境試験装置が知られている。環境試験装置では、冷凍機や加熱機、加湿機が設けられており、断熱壁で囲まれた恒温恒湿槽の試験室内が、冷凍機によって冷却除湿されると共に、加熱機および加湿機によって加温加湿されて、目標温湿度に維持される。

特開平７−１４００６１号公報

ところで、上述したような環境試験装置では、冷凍機による冷却除湿作用が温湿度制御に大きく寄与しているため、冷凍機が故障すると温湿度制御を行うことができなくなり、装置を一旦停止しなければならない。そこで、予備の冷凍機を設けて、主の冷凍機が故障した際には予備の冷凍機を運転することが考えられる。しかしながら、この場合、主の冷凍機から予備の冷凍機への切り換え時に冷却除湿作用が低下してしまうため、試験室内の温湿度が大幅に乱れるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷凍装置が故障しても試験室の温湿度を安定して制御することにある。

第１の発明は、試験室を有する恒温恒湿槽と、前記試験室内を冷却および除湿する冷凍装置とを備えた環境試験装置を対象としている。そして、前記冷凍装置は、主熱源機と、該主熱源機の予備熱源機と、熱媒体が貯留され、該熱媒体が前記両熱源機の何れか一方によって冷却される蓄熱槽と、該蓄熱槽の熱媒体が供給され、該熱媒体によって前記試験室内の空気を冷却および除湿する冷却熱交換器とを備えている。

第１の発明では、主熱源機によって蓄熱槽の熱媒体が冷却されて蓄熱される。そして、冷却熱交換器において蓄熱槽の熱媒体と試験室内の空気とが熱交換し、空気が冷却および除湿される。ここで、主熱源機が故障等によって停止すると、予備熱源機が運転される。この主熱源機から予備熱源機への切換時においても、蓄熱槽から低温の熱媒体が冷却熱交換器に供給される。したがって、冷却熱交換器で十分な冷却能力および除湿能力が発揮される。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記両熱源機が、圧縮機構と凝縮器と膨張機構と蒸発器とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路を有し、前記蒸発器で前記蓄熱槽の熱媒体を冷却するものである。

第２の発明では、冷媒回路において、圧縮機構で圧縮された冷媒が凝縮器で凝縮し、膨張機構で減圧された後、蒸発器で蓄熱槽の熱媒体と熱交換して蒸発する。これにより、蓄熱槽の熱媒体が冷却される。

第３の発明は、前記第１の発明において、前記両熱源機が、前記蓄熱槽の熱媒体を冷却する熱電素子を有しているものである。

第３の発明では、蓄熱槽の熱媒体が熱電素子の吸熱部（冷却部）によって吸熱される。これにより、蓄熱槽の熱媒体が冷却される。熱電素子では、熱媒体から吸熱した熱が放熱部（加熱部）から放熱される。

第４の発明は、前記第３の発明において、前記両熱源機は、前記熱電素子を複数有し、前記熱電素子が順次所定時間ずつ冷却動作を行うように構成されているものである。

第４の発明では、熱電素子が順番に所定時間ずつ運転される。例えば図４に示すように、複数の熱電素子のうち１つの熱電素子のみが起動する。そして、所定時間が経過すると、運転していた熱電素子は停止する一方、別の熱電素子が起動する。この運転サイクルが複数の熱電素子において行われる。

以上説明したように、本発明によれば、熱媒体を冷却する主熱源機とその予備熱源機を設けるようにしたため、主熱源機が故障等によって停止しても予備熱源機で熱媒体を冷却することができる。さらに本発明によれば、主熱源機によって冷却された熱媒体を貯留する蓄熱槽を設けるようにしたため、主熱源機から予備熱源機への切換時においても、蓄熱槽の低温の熱媒体を冷却熱交換器に供給することができる。したがって、冷却熱交換器において十分な冷却能力および除湿能力を発揮させることが可能である。その結果、試験室内の温湿度を安定して制御することができる。

また、第２の発明によれば、主熱源機および予備熱源機が、冷凍サイクルを行う冷媒回路によって蓄熱槽の熱媒体を冷却するため、その熱媒体に対する冷却能力を十分に稼ぐことができる。そのため、蓄熱槽に冷熱を十分に蓄えることができる。その結果、主熱源機から予備熱源機への切換時においても、試験室内の温湿度を一層安定して制御することができる。

また、第３の発明によれば、主熱源機および予備熱源機が、熱電素子によって蓄熱槽の熱媒体を冷却するため、両熱源機ひいては冷凍装置の構成をコンパクトにすることができる。

また、第４の発明によれば、複数の熱電素子を順番に所定時間ずつ冷却動作させる（運転する）ようにしたので、熱電素子１つ当たりの寿命を延ばすことができる。これにより、試験室の温湿度制御を長期間に亘って安定化させることができる。

図１は、実施形態に係る環境試験装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、実施形態１に係る冷凍装置の構成を示す配管系統図である。 図３は、実施形態２に係る冷凍装置の構成を示す配管系統図である。 図４は、ペルチェモジュールの運転状態を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本実施形態に係る環境試験装置１０は、例えば、医薬品等の安定性試験に使用され、そのために恒温恒湿槽１１（チャンバ）の試験室Ｓ内の温度および湿度を予め設定した範囲内に安定的に維持する。

図１に示すように、恒温恒湿槽１１は、外形が略直方体形状をなし、前面（図１において左側の面）の上端から中央部にかけて、扉１２が開閉可能に取り付けられている。扉１２の前面には、図示しないが、制御目標となる温度および湿度の設定等を行うための操作盤と、設定値等を表示するディスプレイとが上下方向に並んで配設されている。

試験室Ｓ内の奥側（図１において右側）の区画壁１３の上部には格子状の空気吹出口１３ａが開口され、空調装置２０によって温度および湿度を調整した調和空気がファン７０によって試験室Ｓ内に供給される。この調和空気は、試験室Ｓ内を流通した後、区画壁１３の下部の空気吸込口１３ｂから空調装置２０側に循環される。

なお、本実施形態では、試験室Ｓ内の奥側の区画壁１３の上部に空気吹出口１３ａが、下部に空気吸込口１３ｂがそれぞれ開口した形態について説明しているが、あくまでも一例であり、空気吹出口１３ａおよび空気吸込口１３ｂの開口位置は適宜設定することができる。

試験室Ｓ内には、２枚の棚板１４が上下に並んで配設されており、各棚板１４の上に試料が載置される。なお、棚板１４の枚数およびその配置は、この形態に限定するものではなく、適宜設定することができる。

空気吹出口１３ａには、恒温恒湿槽１１に温湿度センサ（図示省略）が配設され、温湿度センサの計測値によって、空気吹出口１３ａから吹き出される空気の温度、相対湿度および絶対湿度が測定される。なお、温湿度センサの配設位置は、空気吹出口１３ａの近傍に限られず、空気吸込口の近傍に配設してもよい。温湿度センサからの計測信号は、恒温恒湿槽１１の下部に配設されている制御器８０に送信される。制御器８０は、試験室Ｓ内の温度および湿度が予め設定した状態となるように、温湿度センサの計測値に応じて空調装置２０を制御する。

空調装置２０は、制御器８０から出力された制御信号に応じて、空気吹出口１３ａを経て試験室Ｓ内に供給する調和空気の温度、湿度、流量等が適切に調整される。空調装置２０は、加湿装置３０、冷凍装置４０、加熱装置６０およびファン７０を備えている。

加湿装置３０は、ヒータ３１と、加湿用の水を貯留する受け皿３２とを備えている。ヒータ３１は、供給された電力量に応じた加熱量で加湿用の水を加熱する。受け皿３２には、試験室Ｓの外部に設けられた図示しない給水タンクから水が供給される。そして、加湿装置３０は、制御器８０から出力された制御信号に基づいて、受け皿３２に貯留された水をヒータ３１で蒸発させ、空気を設定湿度に加湿する動作を行う。これにより、加湿装置３０は、供給された電力量に応じた加湿量で試験室Ｓ内を加湿する。

冷凍装置４０は、制御器８０から出力された制御信号に基づいて、循環される空気を、設定温度および設定湿度に基づいて算出された露点温度まで冷却する動作を行う。これにより、設定温度および設定湿度における必要な水分量を確保するようにしている。冷凍装置４０の構成については後で詳述する。

加熱装置６０は、制御器８０から出力された制御信号に基づいて、冷凍装置４０で冷却された空気を設定温度に上昇させる動作を行う。これにより、加熱装置６０は、供給された電力量に応じた加熱量で試験室Ｓ内を加熱する。

ファン７０は、加湿装置３０、冷凍装置４０、加熱装置６０で調和された調和空気
を試験室Ｓ内に循環させるように動作する。このように、ファン７０により試験室Ｓ内の空気を循環させ、必要に応じて加湿装置３０、冷凍装置４０、加熱装置６０をそれぞれ動作させ、温湿度センサにより試験室Ｓ内の温湿度を検出してフィードバック制御することで、試験室Ｓ内の温度および湿度を予め設定した範囲内に安定的に維持する。

−冷凍装置の構成−
図２に示すように、本実施形態に係る冷凍装置４０は、主冷媒回路４１ａと、その予備冷媒回路４１ｂと、蓄熱槽５０と、熱媒体回路５１とを備えている。

主冷媒回路４１ａは主熱源機を構成し、予備冷媒回路４１ｂは主熱源機の予備熱源機を構成しており、両冷媒回路４１ａ，４１ｂは互いに同様の回路構成となっている。具体的に、各冷媒回路４１ａ，４１ｂは、圧縮機４２ａ，４２ｂ（圧縮機構）と、凝縮器４３ａ，４３ｂと、膨張弁４４ａ，４４ｂ（膨張機構）と、蒸発器４５ａ，４５ｂとが順に接続された閉回路である。各冷媒回路４１ａ，４１ｂは、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成されている。

蓄熱槽５０は、熱媒体であるブラインが貯留されている。蓄熱槽５０は、各冷媒回路４１ａ，４１ｂの蒸発器４５ａ，４５ｂが接続されており、蒸発器４５ａ，４５ｂによってブラインが冷却されるようになっている。そして、蓄熱槽５０はブラインの冷熱が蓄熱されるようになっている。

熱媒体回路５１は、蓄熱槽５０との間で循環路５２を通じてブラインが循環する冷却熱交換器５４が設けられている。循環路５２には、ブラインを循環させるためのポンプ５３が設けられている。冷却熱交換器５４は、ブラインとファン７０によって取り込まれた試験室Ｓの空気とが熱交換するように構成されている。つまり、冷却熱交換器５４では、試験室Ｓの空気がブラインとの熱交換によって冷却および除湿されるようになっている。

−冷凍装置の運転動作−
冷凍装置４０では、主冷媒回路４１ａおよび予備冷媒回路４１ｂのうち何れか一方が運転される。また、主冷媒回路４１ａが優先して運転され、主冷媒回路４１ａが故障等によって運転不可となった場合に予備冷媒回路４１ｂが運転される。

各冷媒回路４１ａ，４１ｂでは、圧縮機４２ａ，４２ｂが駆動されると、冷媒が圧縮機４２ａ，４２ｂで圧縮されて吐出される。この吐出冷媒は、凝縮器４３ａ，４３ｂで例えば空気と熱交換して凝縮する。凝縮した冷媒は、膨張弁４４ａ，４４ｂで所定圧力まで減圧された後、蒸発器４５ａ，４５ｂへ流れる。蒸発器４５ａ，４５ｂでは、冷媒が蓄熱槽５０のブラインと熱交換して蒸発し、ブラインが冷却される。蓄熱槽５０では、冷却されたブラインの冷熱が蓄熱される。

熱媒体回路５１では、ポンプ５３が駆動されると、蓄熱槽５０と冷却熱交換器５４との間でブラインが循環する。冷却熱交換器５４では、蓄熱槽５０から供給された低温のブラインが試験室Ｓの空気と熱交換する。これにより、試験室Ｓの空気が、設定温度および設定湿度に基づいて算出された露点温度まで冷却される。なお、熱交換したブラインは再び蓄熱槽５０に戻る。

上述した運転時において、主冷媒回路４１ａが故障等によって運転不可となると、予備冷媒回路４１ｂに運転される。この主冷媒回路４１ａから予備冷媒回路４１ｂへの切換時においては、継続して、蓄熱槽５０から冷却熱交換器５４にブラインが供給され続ける。予備冷媒回路４１ｂに切り換えた直後（即ち、予備冷媒回路４１ｂの起動直後）では、予備冷媒回路４１ｂの蒸発器４５ｂにおける冷却能力が十分ではない。そのため、予備冷媒回路４１ｂの起動直後は、蓄熱槽５０のブラインに対する冷却能力が低下する。ところが、蓄熱槽５０ではブラインの冷熱が十分に蓄熱されているため、予備冷媒回路４１ｂの起動直後でも、十分に低温なブラインを冷却熱交換器５４へ供給することができる。これにより、冷却熱交換器５４における冷却能力を十分に維持することができる。

−実施形態１の効果−
本実施形態によれば、冷凍装置４０では、ブラインを冷却する主冷媒回路４１ａとその予備冷媒回路４１ｂとを設けるようにしたため、主冷媒回路４１ａが故障等によって停止しても予備冷媒回路４１ｂによってブラインを冷却することができる。さらに、主冷媒回路４１ａによって冷却されたブラインを貯留する蓄熱槽５０を設けるようにしたので、主冷媒回路４１ａから予備冷媒回路４１ｂへの切換時においても、蓄熱槽５０の十分に低温なブラインを冷却熱交換器５４に供給することができる。したがって、冷却熱交換器５４において十分な冷却能力および除湿能力を維持することができる。その結果、試験室Ｓ内の温湿度を安定して制御することができる。

また、本実施形態によれば、冷凍装置４０を間膨式として、その一次側である冷媒回路についてのみ予備の回路（予備冷媒回路４１ｂ）を設けるようにしているので、冷凍装置全体の予備装置を設ける場合に比べて、冷凍装置４０のコンパクト化を図ることができる。

《実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、前記実施形態１において冷凍装置４０の構成を変更したものである。具体的には、図３に示すように、本実施形態の冷凍装置４０は、前期実施形態１が主冷媒回路４１ａおよび予備冷媒回路４１ｂを設けたのに代えて、主ペルチェモジュール４６ａおよび予備ペルチェモジュール４６ｂを設けるようにした。

本実施形態の冷凍装置４０では、主ペルチェモジュール４６ａが主熱源機を構成し、予備ペルチェモジュール４６ｂが予備熱源機を構成している。冷凍装置４０は、主ペルチェモジュール４６ａおよび予備ペルチェモジュール４６ｂをそれぞれ複数（本実施形態では、一例として３つずつ）有している。各ペルチェモジュール４６ａ，４６ｂは、ペルチェ素子４７ａ，４７ｂ（熱電素子）と、アルミニウム製のジャケット４８ａ，４８ｂとを有し、蓄熱槽５０の外壁面に取り付けられている。

ペルチェ素子４７ａ，４７ｂは、通電すると、吸熱部（冷却部）と放熱部（加熱部）とが形成される。ジャケット４８ａ，４８ｂは、蓄熱槽５０の外壁面に取り付けられて、内部を蓄熱槽５０内のブラインが流通するように構成されている。各ペルチェモジュール４６ａ，４６ｂでは、ジャケット４８ａ，４８ｂ内を流通するブラインがペルチェ素子４７ａ，４７ｂの吸熱部によって吸熱されて冷却される。これにより、蓄熱槽５０のブラインが冷却される。

本実施形態の冷凍装置４０では、主ペルチェモジュール４６ａおよび予備ペルチェモジュール４６ｂのうち何れか一方が運転される。また、主ペルチェモジュール４６ａが優先して運転され、その主ペルチェモジュール４６ａが故障等によって運転不可となった場合に予備ペルチェモジュール４６ｂが運転される。

そして、本実施形態においても、主ペルチェモジュール４６ａから予備ペルチェモジュール４６ｂへの切換時において、蓄熱槽５０の十分に低温なブラインを冷却熱交換器５４に供給することができる。したがって、冷却熱交換器５４において十分な冷却能力および除湿能力を維持することができる。その結果、試験室Ｓ内の温湿度を安定して制御することができる。

また、本実施形態によれば、各ペルチェモジュール４６ａ，４６ｂは比較的小型であるため、冷凍装置４０のコンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態の冷凍装置４０では、３つの主ペルチェモジュール４６ａを全て同時に運転させる形態だけでなく、各主ペルチェモジュール４６ａが順次所定時間ｔａずつ冷却動作を行う形態であってもよい。具体的には、図４に示すように、先ず、３つの主ペルチェモジュール４６ａのうち、予め設定した第１主ペルチェモジュール４６ａのみが運転される。その運転開始から所定時間ｔａが経過すると、運転していた第１主ペルチェモジュール４６ａは停止する一方、別の第２主ペルチェモジュール４６ａが運転される。その運転開始から所定時間ｔａが経過すると、運転していた第２主ペルチェモジュール４６ａは停止する一方、別の第３主ペルチェモジュール４６ａが運転される。その運転開始から所定時間ｔａが経過すると、運転していた第３主ペルチェモジュール４６ａは停止する一方、最初の第１主ペルチェモジュール４６ａが再び運転される。このように、各主ペルチェモジュール４６ａが順番に所定時間ｔａずつ運転される。このように運転することで、ペルチェ素子４７ａ１つ当たりの寿命を延ばすことができる。これにより、試験室Ｓの温湿度制御を長期間に亘って安定化させることができる。なお、予備ペルチェモジュール４６ｂについても同様に運転させることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態の環境試験装置１０では、内部に試験室Ｓを有する恒温恒湿槽１１を備えた構成について説明したが、試験室Ｓの大きさは特に限定するものではない。つまり、作業者が出入りできる大きさの部屋としての試験室Ｓを有する恒温恒湿室を備えた構成であっても構わない。

本発明は、試験室を冷却および除湿する冷凍装置を備えた環境試験装置１０について有用である。

１０ 環境試験装置
１１ 恒温恒湿槽
４０ 冷凍装置
４１ａ 主冷媒回路（主熱源機）
４１ｂ 予備冷媒回路（予備熱源機）
４２ａ,４２ｂ 圧縮機（圧縮機構）
４３ａ,４３ｂ 凝縮器
４４ａ,４４ｂ 膨張弁（膨張機構）
４５ａ,４５ｂ 蒸発器
４６ａ 主ペルチェモジュール（主熱源機）
４６ｂ 予備ペルチェモジュール（予備熱源機）
４７ａ,４７ｂ ペルチェ素子（熱電素子）
５０ 蓄熱槽
５４ 冷却熱交換器
Ｓ 試験室

Claims (4)

1. 試験室を有する恒温恒湿槽と、前記試験室内を冷却および除湿する冷凍装置とを備えた環境試験装置であって、
   前記冷凍装置は、主熱源機と、該主熱源機の予備熱源機と、熱媒体が貯留され、該熱媒体が前記両熱源機の何れか一方によって冷却される蓄熱槽と、該蓄熱槽の熱媒体が供給され、該熱媒体によって前記試験室内の空気を冷却および除湿する冷却熱交換器とを備えている
   ことを特徴とする環境試験装置。
2. 請求項１において、
   前記両熱源機は、圧縮機構と凝縮器と膨張機構と蒸発器とが接続されて冷凍サイクルを行う冷媒回路を有し、前記蒸発器で前記蓄熱槽の熱媒体を冷却する
   ことを特徴とする環境試験装置。
3. 請求項１において、
   前記両熱源機は、前記蓄熱槽の熱媒体を冷却する熱電素子を有している
   ことを特徴とする環境試験装置。
4. 請求項３において、
   前記両熱源機は、前記熱電素子を複数有し、前記熱電素子が順次所定時間ずつ冷却動作を行うように構成されている
   ことを特徴とする環境試験装置。

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