JP2018031501A - 低温空気供給装置及び環境試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気を消費する機器に対して連続的に低温空気を供給することができ、且つ消費電力が比較的少ない低温空気供給装置を開発する。【解決手段】 低温空気供給装置３は、本体装置１０と、プレ除湿装置１１及び本除湿装置１２を有している。また低温空気供給装置３に空気を供給する送風機１３を有している。本体装置１０は、空気導入部から空気排出部に至る一連の通風路２５ａと、空気を冷却可能な複数の蒸発器４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａを有している。本体装置１０には空気導入部２０から空気排出部２１に向かうにつれて自身の温度がより低い蒸発器４０が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、低温の空気を大量に供給する低温空気供給装置に関するものである。本発明の低温空気供給装置は、環境試験を行う用途に適するものである。また本発明は、低温空気供給装置を備えた環境試験装置に関するものである。

機械装置や電子機器等の被試験物の性能を調べる試験方法の一つに環境試験がある。
環境試験は、被試験物が実際に置かれる環境や、より過酷な環境を再現し、被試験物の状態を調べる。
例えば、被試験物が高緯度地方や極地で使用される物であれば、環境試験装置で低温環境を人工的に作り出し、その環境下に被試験物を晒して所望の試験を行う。

ところで燃焼装置やエンジンの様に、空気を消費する機器がある。この様な空気を消費する機器を対象として環境試験を行う場合、単に高温や低温の試験室内に被試験物を置いて試験するだけでは足りず、絶えずフレッシュな空気を被試験物に供給し続けなければならない。
例えばバーナの極低温環境下における性能を調べるには、低温に冷却した空気を常にバーナに対して供給し続けなければならない。
エンジンについても同様であり、低温に冷却した空気をシリンダーに供給し続けなければならない。

低温の空気を供給することができる装置の一つとして、特許文献１に開示された空調装置がある。
特許文献１に開示された空調装置は、空調流路内に冷却器が配されたものであり、空調流路を通過する空気を冷却器で冷却する。
特許文献１に開示された空調装置は、試験室との間で空気を循環させる場合に適するものである。

特開２００７−１６２９７３

市場において、摂氏マイナス３０度という様な極寒の環境下で、バーナやエンジンの性能を試験したいという要求がある。
前記した特許文献１に開示された空調装置は、低温の空気を供給することができるものの、摂氏マイナス３０度という様な極低温の空気を連続的に被試験物に供給することは困難な場合があった。
そこで本出願人らは、図５の様な低温空気供給装置１００を試作した。
低温空気供給装置１００は、ブラインによって通過空気を冷却するものである。
低温空気供給装置１００は、本体装置１０１と、プレ除湿装置１０３及び、本除湿装置１０５によって構成されている。

本体装置１０１は、通風路１０７とブライン供給装置１０２を有している。そして通風路１０７を、冷却ジャケット１０６が取り巻いている。
ブライン供給装置１０２は、ブライン槽１１０と冷凍機１１２を有し、ブライン槽１１０内のブラインを摂氏マイナス４０度程度の低温に冷却することができる。
前記した本体装置１０１の冷却ジャケット１０６には、ブライン供給装置１０２から供給されるブラインが循環する。

プレ除湿装置１０３は、水冷式の冷却通路であり、空気を軽度に除湿するものである。
これに対して本除湿装置１０５は、空気を徹底的に除湿するものである。
本除湿装置１０５には、デシカント式除湿機が利用されている。ここでデシカント式除湿機は、シリカゲル等の除湿剤を使用して空気中の水蒸気を吸着させるものである。デシカント式除湿機は、除湿剤によって空気中の水蒸気を吸着させるので、乾燥空気と言える程度の低湿度空気を生成することができる。
水蒸気を吸着した除湿剤は、加熱することにより再生させることができる。
なお本発明者は、低温空気供給装置１００の要求に耐える除湿装置として、デシカント式除湿機以外の装置を知らない。

低温空気供給装置１００は、プレ除湿装置１０３と、本除湿装置１０５及び本体装置１０１がこの順番に直列に接続されている。そして送風機１１６によって、これらに通風される。
送風機１１６によって、低温空気供給装置１００に送られた空気は、プレ除湿装置１０３によって除湿され、さらに本除湿装置１０５で徹底的に除湿される。

そして略完全に除湿された空気が本体装置１０１に導入され、通風路１０７を通過する間にブラインと熱交換して冷却される。そして本体装置１０１から冷却された空気が排出され、所望の用途に供される。

低温空気供給装置１００によると、所望の低温空気を大量に連続供給することができる。低温空気供給装置１００は、市場の要求品質を満足するものである。

しかしながら、低温空気供給装置１００は消費電力が過大であるという不満がある。
低温空気供給装置１００は、本体装置１０１の消費電力が大きい。また低温空気供給装置１００は、本除湿装置１０５の消費電力も大きい。

以下、説明する。
試作した低温空気供給装置１００では、ブライン供給装置１０２によって、ブラインをマイナス４０度程度の極低温に冷却している。
ここで、冷凍機の効率は、一般に、目標温度が低いほど悪化する。冷凍機の効率を示す目安として、成績係数（ＣＯＰ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が知られている。例えば、マイナス４０度程度の極低温を作る場合、成績係数は、１．０程度となり、かなり悪い。

また本体装置１０１の通風路１０７に霜が付くと、空気を冷却する能力が極端に低下する。そのため低温空気供給装置１００では、本体装置１０１に導入される空気を徹底的に除湿し、通風路１０７内における霜付きを防いでいる。

ここでデシカント式除湿機は、除湿剤に空気中の水蒸気を吸着させるものであるから、空気を除湿する際にはエネルギーを要しない。しかしながら、デシカント式除湿機は、除湿剤を加熱して再生させる必要があり、除湿剤の再生に大きなエネルギーを要する。
そのためデシカント式除湿機は、全体として多くの電力を消費する。

本発明は、上記した問題点に注目し、空気を消費する機器に対して連続的に低温空気を供給することができ、且つ消費電力が比較的少ない低温空気供給装置を開発することを課題とするものである。また空気を消費する機器を試験する環境試験装置であって、消費電力が比較的少ない環境試験装置を開発することを課題とするものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、空気導入部から空気排出部に至る一連の通風路と、空気を冷却可能な複数の冷却器を有し、前記複数の冷却器は自身の温度を低下させて前記通風路を通過する空気と熱交換し、通風路を通過する空気の温度を低下させることが可能であり、空気導入部から空気排出部に向かうにつれて自身の温度がより低い冷却器が配置されていることを特徴とする低温空気供給装置である。

本発明の低温空気供給装置は、空気導入部から空気排出部に至る一連の通風路を有し、通風路に空気を通過させて空気を冷却する。
ここで本発明の低温空気供給装置では、複数の冷却器を有している。冷却器は、例えば冷凍機の蒸発器やペルチェ素子の様に、自身の温度を低下させて対象物の温度を低下させるものである。

本発明の低温空気供給装置では、複数の冷却器が設置されており、且つ下流に向かうにつれて自身の温度がより低い冷却器が配置されている。
そのため空気導入部に近い位置に配された冷却器（以下、上流側冷却器と称する）は、自身の温度が比較的高く、成績係数が高い。勿論、上流側冷却器であっても当該部分を通過する空気よりも自身の温度が低いので、通過する空気から熱を奪い、空気の温度を低下させることができる。

上流側冷却器によって冷却された空気は、空気排出部に向かって流れる。そして次に設置された冷却器（以下、中流側冷却器と称する）と接する。通風路の中流部を流れる空気は、当初導入された空気よりも温度が低いが、中流側冷却器は、上流側冷却器よりも自身の温度が低いので、通過する空気から熱を奪い、空気の温度をさらに低下させることができる。

中流側冷却器についても、自身の温度が最終的到達目標の温度よりも高い場合が多いので、成績係数は高い。
中流側冷却器によって冷却された空気は、さらに空気排出部に向かって流れる。そして次に設置された冷却器（以下、下流側冷却器と称する）と接する。通風路の下流部を流れる空気は、中流部を流れる空気よりも温度が低いが、下流側冷却器は、中流側冷却器よりも自身の温度が低いので、通過する空気から熱を奪い、空気の温度をさらに低下させることができる。

下流側冷却器は、自身の温度が最終的到達目標の温度よりも低いので、成績係数は低い。しかしながら、本発明の低温空気供給装置では、他の流域に配された冷却器の成績係数が高いので、全体としての効率が高く、消費電力が少ない。
また通風路を通過する空気の温度と、各部に配された冷却器の温度が比較的近いので、局部的に霜付きすることが少ない。そのため通風路を通過させる前に行う除湿は、徹底したものである必要はない。
以上の説明は、通風路を上流側、中流側、下流側の３領域に分けて説明したが、もちろん本発明は、これに限定されるものではなく、上流側と下流側の２領域であってもよく、より多くに区分されていてもよい。

請求項２に記載の発明は、前記一連の通風路と複数の冷却器を有する通風系統を複数系統有し、少なくとも一系統の通風系統を駆動して通風路を通過する空気の温度を低下させている間に、他の少なくとも一系統の通風系統の冷却器の除霜を行うことが可能であることを特徴とする請求項１に記載の低温空気供給装置である。

本発明の低温空気供給装置によると、複数の通風系統を順番に使用することにより、長期に渡って連続的に低温空気を供給し続けることができる。

除霜手段は任意であり、蒸発器にホットガスを導入してもよい。また別途ヒータを設け、ヒータによって除霜を行ってもよい。
また通風路に温風を通過させてもよい。単なる通風による除霜も可能である。

請求項３に記載の発明は、前記冷却器は冷凍サイクルを構成する冷凍機の蒸発器であり、前記冷凍機は、２以上の蒸発器を有し、前記２以上の蒸発器を切り換える切替え手段と、各蒸発器にホットガスを導入するホットガス導入回路を備え、少なくとも一つの蒸発器が一系統の通風系統の冷却器として使用され、他の少なくとも一つの蒸発器が他の系統の通風系統の冷却器として使用されていることを特徴とする請求項２に記載の低温空気供給装置である。

本発明によると、一系統の通風系統を駆動して通風路を通過する空気の温度を低下させている間に、他の少なくとも一系統の通風系統の冷却器の除霜を行うことができ、休止することなく連続的に低温空気を供給し続けることができる。

請求項４に記載の発明は、前記複数の冷却器であって同一の通風路を通過する空気と熱交換する冷却器を選択的に運転することが可能であり、要求される空気の温度に応じて運転する冷却器の数を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の低温空気供給装置である。

空気導入部から空気排出部に向かうにつれて自身の温度がより低い冷却器が配置された結果、最終的に要求される空気の設定温度が最も下流に配された冷却器の表面温度よりも高くなってしまう場合がある。要するに、要求される冷熱に対して低温空気供給装置の最大冷却能力が過剰である場合がある。
この様な場合には、冷却器のいくつかを停止する。例えば最上流の冷却器から、設定温度以下であり且つ設定温度に近い表面温度となる冷却器までを運転し、運転された冷却器で冷却された空気を吐出させる。

請求項５に記載の発明は、前記複数の冷却器であって同一の通風路を通過する空気と熱交換する冷却器は、冷却能力を変更可能なものを含み、条件に応じて冷却能力を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の低温空気供給装置である。

「条件」には、例えば低温空気供給装置に要求される空気の温度の高低がある。低温空気供給装置に要求される空気の温度が比較的高い場合には冷却能力を増加させ、要求される空気の温度が比較的低い場合には冷却能力を低下させる。同様に要求される空気の量が比較的多い場合には冷却能力を増加させ、要求される空気の量が比較的少ない場合には冷却能力を低下させる。また外気温度が高く低温空気供給装置に導入される空気の温度が比較的高い場合には冷却能力を増加させ、外気温度が低い場合には冷却能力を低下させる。
本発明も、要求される冷熱に対して低温空気供給装置の最大冷却能力が過剰である場合に対応可能な低温空気供給装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の低温空気供給装置を備えた環境試験装置である。

本発明によると、空気を消費する機器を被試験物とする環境試験を行うことができる。

本発明の低温空気供給装置及び環境試験装置は、空気を消費する機器に対して連続的に低温空気を供給することができ、且つ消費電力が比較的少ない。

本発明の実施形態の環境試験装置の概念図である。 図１の環境試験装置の低温空気供給装置で採用する冷凍機の配管系統図である。 図２に示す冷凍機の配管系統図であり、第一系統の通風路を使用して低温の空気を供給する場合における冷媒の流れを示す。 図２に示す冷凍機の配管系統図であり、第二系統の通風路を使用して低温の空気を供給する場合における冷媒の流れを示す。 試作した低温空気供給装置の概念図である。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１に示す環境試験装置１は、試験室２と、低温空気供給装置３によって構成されている。試験室２は、被試験物を配置する部屋であり、図示しない空調装置によって所望の環境に調整することができる。試験室２には、被試験物（図示せず）が配置されている。被試験物は、例えばエンジンやバーナ等の空気を消費する機器である。

低温空気供給装置３は、試験室２内の被試験物に低温の空気を供給するものである。
本実施形態では、低温空気供給装置３は、本体装置１０と、プレ除湿装置１１及び本除湿装置１２を有している。また低温空気供給装置３に空気を供給する送風機１３を有している。

プレ除湿装置１１は、前記したものと同じであり、水冷式の冷却通路であり、空気を軽度に除湿するものである。
本除湿装置１２は、通常の冷却式の除湿機であり、内部に冷凍機１５を内蔵している。本除湿装置１２は、冷凍機１５を備え、冷凍機１５の蒸発器（図示せず）の表面温度を通過する空気の露点温度以下に制御し、蒸発器の表面で結露させて空気を除湿するものである。
本除湿装置１２は、前記したデシカント式除湿装置ほど空気を低湿度にすることはできない。しかしながら本除湿装置１２は、除湿量に対する消費電力が、デシカント式除湿装置に比べて少ない。

次に本体装置１０について説明する。
本体装置１０は、合同空気導入部２０と、合同空気排出部２１があり、その中間が入り側分岐流路２３と出側合流流路２２によって二系統の通風路２５ａ，２５ｂに分かれている。以下、一方を第一通風路２５ａと称し、他方を第二通風路２５ｂと称する。
二系統の通風路２５ａ，２５ｂは、それぞれ空気導入部２６ａ，２６ｂと空気排出部２７ａ，２７ｂがある。
通風路２５ａ，２５ｂはダクトや管によって形成された筒体であり、空気導入部２６ａ，２６ｂと空気排出部２７ａ，２７ｂを連通する細長い空間である。
本体装置１０には、二系統の通風路２５ａ，２５ｂの切り換える流路切替え手段２８が設けられている。流路切替え手段２８は、入り側切替え手段３０ａ，３０ｂと、出側切替え手段３１ａ，３１ｂによって構成されている。
入り側切替え手段３０ａ，３０ｂは、それぞれの空気導入部２６ａ，２６ｂの近傍であって通風路２５ａ，２５ｂの上流端にある。一方、出側切替え手段３１ａ，３１ｂは、空気排出部２７ａ，２７ｂにあり、それぞれの通風路２５ａ，２５ｂの下流端にある。
本実施形態では、入り側切替え手段３０ａ，３０ｂ及び出側切替え手段３１ａ，３１ｂは、バタフライ弁やダンパー弁等の開閉弁であり、モーター３２によって開閉される。
通風路２５ａ，２５ｂは、いずれも図示しない断熱材で覆われている。

本実施形態の本体装置１０は、独立した４台の冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを有している。
冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの回路は、同一であり、それぞれ蒸発器４０を２基備えている。
なお説明の便宜上、冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄに属する蒸発器には、大文字のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを付する。またそれぞれの冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄに属する２個の蒸発器４０を区別する場合には、小文字のａ，ｂを付する。
本実施形態では、蒸発器４０が通風路２５ａ，２５ｂ内に挿入される冷却器として機能する。

図２は、冷凍機３５の冷凍回路を示している。冷凍機３５は、圧縮機３６、凝縮器３７、膨張手段３８及び第一蒸発器４０ａ、第二蒸発器４０ｂを有し、これらが冷媒配管によって繋がれ、内部に相変化する冷媒が充填されたものである。
本実施形態では、圧縮機３６はインバータ制御されており、回転速度を変化させることができる。

冷凍機３５の冷媒配管は、主配管４１と、分岐配管４３及びホットガス導入配管４６によって構成されている。
冷凍機３５の主配管４１は、圧縮機３６、凝縮器３７、膨張手段３８及び蒸発機器部４２を環状に繋ぐ配管である。なお蒸発機器部４２は第一蒸発器４０ａと第二蒸発器４０ｂが並列的に設けられた部分である。

分岐配管４３は、蒸発機器部４２の第一蒸発器４０ａと第二蒸発器４０ｂを切り換える配管であり、分岐配管４３によって２台の蒸発器４０ａ，４０ｂが主配管４１に対して並列に配管されている。
即ち膨張手段３８の下流側が上流側分岐配管４３ａ，４３ｂによって分岐され、それぞれ蒸発器４０ａ，４０ｂに接続されている。上流側分岐配管４３ａ，４３ｂには、それぞれ蒸発器上流側開閉弁４５ａ，４５ｂが設けられている。

また２台の蒸発器４０ａ，４０ｂの下流側にはそれぞれ下流側分岐配管４３ｃ，４３ｄが接続され、両者が合流して圧縮機３６の吸い込み側に接続されている。
下流側分岐配管４３ｃ，４３ｄにはそれぞれ蒸発器下流側開閉弁４７ａ，４７ｂが設けられている。
本実施形態では、蒸発器上流側開閉弁４５ａ，４５ｂと蒸発器下流側開閉弁４７ａ，４７ｂによって２台の蒸発器４０ａ，４０ｂを切り換える切替え手段が構成されている。

ホットガス導入配管４６は、圧縮機３６の吐出側と蒸発器４０ａ，４０ｂの導入側を接続し、蒸発器４０ａ，４０ｂの吐出側と圧縮機３６の吸い込み側に接続するものである。
即ち圧縮機３６の吐出側と凝縮器３７の間が分岐され、さらにその先がホットガス分岐配管５１ａ，５１ｂによって分岐され、それぞれ蒸発器４０ａ，４０ｂに接続されている。上流側ホットガス分岐配管５１ａ，５１ｂには、それぞれホットガス開閉弁５２ａ，５２ｂが設けられている。
本実施形態では、ホットガス導入配管４６によって２台の蒸発器４０ａ，４０ｂにホットガスを導入するホットガス導入回路が構成されている。

冷凍機３５は、圧縮機３６を駆動して冷媒を循環させることにより、回路内で冷凍サイクルを実現し、蒸発器４０ａ，４０ｂの表面温度を低下させることができる。また蒸発器上流側開閉弁４５ａ，４５ｂと蒸発器下流側開閉弁４７ａ，４７ｂによって構成される切替え手段を切り換えることによって、いずれか一方の蒸発器４０ａ，４０ｂだけに冷媒（液相また気液混合相）を導入することができる。

ホットガス導入配管４６によって、蒸発器４０ａ，４０ｂにホットガスを導入することができる。またホットガス開閉弁５２ａ，５２ｂを切り換えることにより、いずれか一方の蒸発器４０ａ，４０ｂだけにホットガスを導入することができる。

具体的に説明すると、図３の様に、分岐配管４３の第一蒸発器４０ａに至る上流側分岐配管４３ａと、第一蒸発器４０ａから圧縮機３６に戻る流路の蒸発器下流側開閉弁４７ａを開き、第一蒸発器４０ａを通過する一連の循環流路を開いて第一蒸発器４０ａに冷媒（液相また気液混合相）を導入し、第一蒸発器４０ａの表面温度を低下させることができる。

またこのとき、ホットガス導入配管４６の第二蒸発器４０ｂに至るホットガス開閉弁５２ｂを開いて第二蒸発器４０ｂにホットガスを導入し、第二蒸発器４０ｂの表面温度を上昇させて除霜を行うことができる。

逆に、図４の様に、第二蒸発器４０ｂを通過する一連の循環流路を開いて第二蒸発器４０ｂに冷媒（液相また気液混合相）を導入し、第二蒸発器４０ｂの表面温度を低下させることができる。
またこのとき、ホットガス導入配管４６の第一蒸発器４０ａに至るホットガス開閉弁５２ａを開いて第一蒸発器４０ａにホットガスを導入し、第一蒸発器４０ａの表面温度を上昇させて除霜を行うことができる。

本実施形態の本体装置１０は、前記した様に独立した４台の冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを有し、且つ各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、それぞれ第一蒸発器４０ａと、第二蒸発器４０ｂを有している。
本実施形態の本体装置１０は、前記した様に二系統の通風路２５ａ，２５ｂを有している。そして各通風路２５ａ，２５ｂに前記した各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの蒸発器４０が、一台ずつ内蔵されている。
具体的には、第一通風路２５ａには、各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの第一蒸発器４０ａが内蔵されている。また第二通風路２５ｂには、各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの第二蒸発器４０ｂが内蔵されている。

ここで、本実施形態の本体装置１０は、４台の冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを有しており、各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの配管系統は同一であるが、冷凍機３５ごとに蒸発器４０の設定温度が異なっている。
即ち各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、膨張手段３８の開度等が異なり、蒸発器４０内における冷媒の蒸発圧力が異なる。その結果、各蒸発器４０は表面温度が相違する。
具体的には、各蒸発器４０の設定温度は、異なっている。即ち、冷凍機３５Ａの設定温度が最も高く、次いで冷凍機３５Ｂが高く、次いで冷凍機３５Ｃが高く、冷凍機３５Ｄは最も低い。
そして各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの蒸発器４０は、それぞれの通風路２５ａ，２５ｂ内において、下流側にあるもの程、設定温度が低く、自身の表面温度が低くなる様に配列されている。

前記した様に、説明の便宜上、冷凍機３５Ａに属する蒸発器４０を蒸発器４０Ａと表示する。同様に冷凍機３５Ｂに属する蒸発器４０を蒸発器４０Ｂと表示し、冷凍機３５Ｃに属するものを蒸発器４０Ｃと表示し、冷凍機３５Ｄに属するものを蒸発器４０Ｄと表示する。
そして各冷凍機３５の第一蒸発器を４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａと表示する。また各冷凍機３５の第二蒸発器を４０Ａｂ，４０Ｂｂ，４０Ｃｂ，４０Ｄｂと表示する。
第一通風路２５ａに内蔵された蒸発器４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａに注目すると、空気導入部２６ａから空気排出部２７ａに向かうにつれて設定温度が低く、自身の温度がより低い蒸発器が配置されている。
具体的には、空気導入部２６ａ側から順に、蒸発器４０Ａａ，蒸発器４０Ｂａ，蒸発器４０Ｃａ，蒸発器４０Ｄａの順に配列されている。
各蒸発器４０はいずれも第一通風路２５ａ内にあり、通風路２５ａを通過する空気が直接触れて熱交換する。

第二通風路２５ｂも同様であり、第二通風路２５ｂに内蔵された蒸発器４０Ａｂ，４０Ｂｂ，４０Ｃｂ，４０Ｄｂは、空気導入部２６ｂから空気排出部２７ｂに向かうにつれて設定温度が低く、自身の温度がより低い蒸発器４０が配置されている。

本実施形態の低温空気供給装置３は、前記した様に本体装置１０と、プレ除湿装置１１及び本除湿装置１２を有している。
本実施形態の低温空気供給装置３は、上流側からプレ除湿装置１１、本除湿装置１２及び本体装置１０が配置されたものである。プレ除湿装置１１、本除湿装置１２及び本体装置１０の内部の通風路は繋がっている。

次に本実施形態の低温空気供給装置３の機能について説明する。
仮に、エンジンやバーナ等の被試験物の試験に、マイナス４０度の空気が必要であると仮定して各部の動作を説明する。
本実施形態では、それぞれの通風路２５ａ，２５ｂ内において、下流側にあるもの程、自身の表面温度が低くなる様に配列されており、最下流に配された冷凍機３５Ｄの蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂの表面温度が最も低い。そして最下流に配された蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂの表面温度が少なくとも空気の目標温度たるマイナス４０度よりも低い温度となる様に、蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂの温度を設定する。例えば最下流に配された蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂの表面温度をマイナス４５度に設定する。
例えば、空気導入部２６ａ，２６ｂに最も近い位置に配された上流側の蒸発器４０Ａａ，４０Ａｂの表面温度をマイナス１５度に設定し、中流側部の蒸発器４０Ｂａ，４０Ｂｂの表面温度をそれぞれマイナス２５度とし、３番目の蒸発器４０Ｃａ，４０Ｃｂの表面温度をそれぞれマイナス３５度とし、最下流の蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂの表面温度をマイナス４５度に設定する。

本実施形態の低温空気供給装置３は、通風路２５ａ，２５ｂを二系統有している。実際の環境試験に際しては、通風路２５を一系統ずつ機能させ、他の一系統は除霜運転を行う。
仮に、第一通風路２５ａによって低温空気を供給するならば、入り側切替え手段３０ａ，３０ｂと、出側切替え手段３１ａ，３１ｂを切り換えて、合同空気導入部２０と、第一通風路２５ａと、合同空気排出部２１の三者を連通させ、第二通風路２５ｂを閉塞する。
具体的には、第一通風路２５ａに属する入り側切替え手段３０ａと、出側切替え手段３１ａを開き、第二通風路２５ｂに属する入り側切替え手段３０ｂと、出側切替え手段３１ｂを閉じる。
その結果、上流側からプレ除湿装置１１、本除湿装置１２、本体装置１０の第一通風路２５ａが一連に通風路を構成する。

そして各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、図３の様に第一蒸発器４０ａに冷媒（液相又は気液混合相）を流す。なお試験開始直後は、第二蒸発器４０ｂにホットガスを流す必要はない。

この状態で、送風機１３を起動し、プレ除湿装置１１、本除湿装置１２、本体装置１０の第一通風路２５ａによって構成される一連の通風路に空気を流す。
送風機１３から吐出された空気は、プレ除湿装置１１に入り、除湿される。さらにプレ除湿装置１１で除湿された空気は、本除湿装置１２に流れ、本除湿装置１２でさらに除湿される。
ここで本除湿装置１２は、冷凍機１５によって除湿する通常の冷却式の除湿機であるから、徹底的な除湿を行うことはできない。その反面、デシカント式除湿機に比べて、消費電力は少ない。

本除湿装置１２で除湿された空気は、低温空気供給装置３の第一通風路２５ａに入り、最も上流側に配された蒸発器４０Ａａと接する。そして通過する空気は、蒸発器４０Ａａと熱交換し、蒸発器４０Ａａの表面温度に近い温度に温度が低下する。

最初の蒸発器４０Ａａを通過した空気は、下流側に流れ、二番目に設置された蒸発器４０Ｂａと接する。通風路の中流部を流れる空気は、当初導入された空気よりも温度が低いが、二番目に設置された蒸発器４０Ｂａの表面温度は、先の蒸発器４０Ａａの表面温度よりも低い。そのため二番目に設置された蒸発器４０Ｂａの表面温度は、そこを通過する空気の温度に比べて相当に低温であるから、通過する空気から熱を奪い、空気の温度をさらに低下させる。

二番目の蒸発器４０Ｂａを通過した空気は、下流側に流れ、三番目に設置された蒸発器４０Ｃａと接する。通風路の中流部を流れる空気は、相当に温度が低下しているが、三番目に設置された蒸発器４０Ｃａの表面温度は、先の蒸発器４０Ｂａの表面温度よりも低い。そのため三番目に設置された蒸発器４０Ｃａの表面温度は、そこを通過する空気の温度に比べて相当に低温であり、通過する空気から熱を奪い、空気の温度をさらに低下させる。

三番目の蒸発器４０Ｃａを通過した空気は、下流側に流れ、最下流に設置された蒸発器４０Ｄａと接する。通風路を流れる空気は、相当に温度が低下しているが、最下流に設置された蒸発器４０Ｄａの表面温度は、先の蒸発器４０Ｃａの表面温度よりも低い。そのため最下流に設置された蒸発器４０Ｄａの表面温度は、そこを通過する空気の温度に比べて相当に低温であり、通過する空気から熱を奪い、空気の温度をさらに低下させ、目標温度に至らせる。
この様に、本実施形態では、第一通風路２５ａを一方方向に流れる空気は、つぎつぎとそれよりも温度の低い蒸発器４０と接し、次第に温度が低下していく。

最下流の蒸発器４０Ｄａを通過した空気は、空気排出部２７ａから合同空気排出部２１に至り、試験室２内の被試験物に供給される。
試験を実施し、時間が経過すると、第一通風路２５ａ内の各蒸発器４０ａに霜が発生し、霜が成長する。ただし各蒸発器４０は、その表面温度が、通過する空気に対して一定の温度だけ下回るものであり、通過する空気に対して過度に低くはない。そのため霜は、局部的に発生するのではなく、各蒸発器４０に対して一様に付き、一様に成長する。そのため使用不能となるまで霜が成長するまでには、相当に時間が掛かり、比較的長い時間に渡って、第一通風路２５ａを使用することができる。

霜が成長し、熱交換効率が低下した場合は、使用する通風路２５を第二通風路２５ｂに切り換える。
即ち入り側切替え手段３０ａ，３０ｂと、出側切替え手段３１ａ，３１ｂを切り換えて、合同空気導入部２０と、第二通風路２５ｂと、合同空気排出部２７ｂの三者を連通させ、第一通風路２５ａを閉塞する。
具体的には、第二通風路２５ｂに属する入り側切替え手段３０ｂと、出側切替え手段３１ｂを開き、第一通風路２５ａに属する入り側切替え手段３０ａと、出側切替え手段３１ａを閉じる。

また各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄは、図４の様に第二蒸発器４０ｂに冷媒（液相又は気液混合相）を流す。さらに各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの第一蒸発器４０ａにホットガスを流す。

この状態で、送風機１３を起動し、一連の通風路に空気を流す。
送風機１３から吐出された空気は、プレ除湿装置１１から本除湿装置１２を通過して低温空気供給装置３の第二通風路２５ｂに入り、先の説明と同様に、各蒸発器４０Ａｂ，４０Ｂｂ，４０Ｃｂ，４０Ｄｂによって順次冷却され、目標の低温となって試験室２に送られる。

また同時に、第一通風路２５ａに内蔵された各蒸発器４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａにはホットガスが導入され、各蒸発器４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａの表面温度が上昇するので、各蒸発器４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａの表面に付着した霜が融ける。
霜が十分に融けたならば、ホットガスの導入を停止し、第一通風路２５ａを待機させる。

本実施形態の低温空気供給装置３では、最も上流側の蒸発器４０Ａａ，４０Ａｂは、表面温度が摂氏マイナス１５度程度であるから、冷凍機３５Ａの成績係数は、１．５から２．０程度が期待できる。
また次の蒸発器４０Ｂａ，４０Ｂｂは、表面温度がマイナス２５度であるから、冷凍機３５Ｂの成績係数は、１．４から１．６程度が期待できる。
また三番目の蒸発器４Ｃａ，４０Ｃｂは、表面温度がマイナス３５度であるから、冷凍機３５Ｃの成績係数は、１．２から１．４程度が期待できる。
最下流の蒸発器４０Ｄａ，４０Ｄｂは、表面温度が低く、良好な成績係数は期待できない。
しかしながら、４台の冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの内、３台の成績係数が良好であるから、全体としての効率は高く、消費電力の低下が見込まれる。

また本実施形態では、デシカント除湿機を使用する必要が無いので、この点でも消費電力は低い。

以上説明した実施形態では、冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを４台備え、その冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを全て使用したが、要求される空気の温度がさほど低くなければ、幾つかの冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを使用し、幾つかを停止してもよい。
例えば、要求される空気の温度が、マイナス３０度であるならば、冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの３台を駆動し、最下流の冷凍機３５Ｄを休止させる。
また要求される温度は低いが、要求される風量が少ない場合には、上流側の冷凍機３５Ａを休止し、中流以下の冷凍機３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄを駆動してもよい。
もちろん中間部の冷凍機３５だけを使用してもよい。

要するに、要求される冷熱に対して各冷凍機３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄの合計冷却能力が過剰である場合がある。
この様な場合には、終端に近い各冷凍機３５のいくつかを停止する。例えば最上流の冷却器３５Ａから、蒸発器４０の表面温度が低温空気供給装置３に要求される吐出空気の温度以下であり且つその表面温度が前記した要求される温度に最も近い温度となる冷凍機３５までを運転し、運転された冷凍機群で冷却された空気を吐出させる。

また本実施形態では、圧縮機３６がインバータ制御されていて回転速度を変更することができるので、要求される温度や風量に応じて適切な冷凍能力を発揮する様に、圧縮機の出力を変更することができる。
なお、低温空気供給装置３から吐出される空気の温度の微調整は、駆動する冷凍機のうち最も下流側の冷凍機３５の圧縮機３６の出力を調節して行うことが望ましい。

以上説明した実施形態では、通風路２５内に冷却器たる蒸発器４０を４台、直列的に並べたが、蒸発器４０の数は任意であり、５台以上の蒸発器４０が並べられていてもよい。
逆に蒸発器４０の数は３台以下であってもよい。蒸発器４０の数は２台以上であればよいが、３台以上の蒸発器４０を有することが推奨される。

以上説明した実施形態では、通風路２５ａ，２５ｂ内に設置される冷却器は冷凍機３５の蒸発器４０であるが、ブラインを通過させて表面温度を設定温度に低下させる冷却器を使用してもよい。

上記した実施形態では、通風路２５ａ，２５ｂはダクトや管体で形成されたものであるが、通風路２５ａ，２５ｂは断面が複数に仕切られていてもよい。例えば、通風路２５ａ，２５ｂは複数の細管の集合であってもよい。即ち通風路２５ａ，２５ｂは複数の管等が並列に配された管の束であってもよい。

上記した実施形態の低温空気供給装置３は、通風路２５ａ，２５ｂを２系統有するものであるが、通風路２５は一系統であってもよい。また３系統以上の通風路２５を有していてもよい。
各通風路２５を除霜する際に、通風路２５を通風環境としてもよい。

上記した実施形態では、休止中の蒸発器４０にホットガスを流すことによって除霜を行ったが、除霜方法はホットガスによるものに限定されない。例えば蒸発器４０にヒータを設け、ヒータによって除霜を行ってもよい。また通風路２５に温風を通過させてもよい。通風路２５に常温の空気を通過させることによって除霜することも可能である。

１ 環境試験装置
２ 試験室
３ 低温空気供給装置
１０ 本体装置
２５ａ 第一通風路
２５ｂ 第二通風路
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ 冷凍機
４０Ａａ，４０Ｂａ，４０Ｃａ，４０Ｄａ 第一蒸発器
４０Ａｂ，４０Ｂｂ，４０Ｃｂ，４０Ｄｂ 第二蒸発器
４５ａ，４５ｂ 蒸発器上流側開閉弁（切替え手段）
４７ａ，４７ｂ 蒸発器下流側開閉弁（切替え手段）

Claims (6)

1. 空気導入部から空気排出部に至る一連の通風路と、空気を冷却可能な複数の冷却器を有し、
   前記複数の冷却器は自身の温度を低下させて前記通風路を通過する空気と熱交換し、通風路を通過する空気の温度を低下させることが可能であり、
   空気導入部から空気排出部に向かうにつれて自身の温度がより低い冷却器が配置されていることを特徴とする低温空気供給装置。
2. 前記一連の通風路と複数の冷却器を有する通風系統を複数系統有し、少なくとも一系統の通風系統を駆動して通風路を通過する空気の温度を低下させている間に、他の少なくとも一系統の通風系統の冷却器の除霜を行うことが可能であることを特徴とする請求項１に記載の低温空気供給装置。
3. 前記冷却器は冷凍サイクルを構成する冷凍機の蒸発器であり、
   前記冷凍機は、２以上の蒸発器を有し、前記２以上の蒸発器を切り換える切替え手段と、各蒸発器にホットガスを導入するホットガス導入回路を備え、
   少なくとも一つの蒸発器が一系統の通風系統の冷却器として使用され、他の少なくとも一つの蒸発器が他の系統の通風系統の冷却器として使用されていることを特徴とする請求項２に記載の低温空気供給装置。
4. 前記複数の冷却器であって同一の通風路を通過する空気と熱交換する冷却器を選択的に運転することが可能であり、要求される空気の温度に応じて運転する冷却器の数を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の低温空気供給装置。
5. 前記複数の冷却器であって同一の通風路を通過する空気と熱交換する冷却器は、冷却能力を変更可能なものを含み、条件に応じて冷却能力を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の低温空気供給装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の低温空気供給装置を備えた環境試験装置。

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