JP3806764B1 - 恒温形耐候光試験方法および耐候光試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から多量の熱が放出される耐候光試験機において、その熱を除去するために過剰な容量の冷凍機と、加熱器を搭載することなく、最適なエネルギーで前記試験槽内の温調を行い、温度制御能力が高く、冷却器が凍結することがなく、運転電力の少ない恒温形耐候光試験方法および耐候光試験機を提供する。
【解決手段】インバーター付きの電動機で駆動する冷凍機で試験槽内の温度を制御する形式の耐候光試験機において、光源から放出される熱量に対応する冷凍能力を出力するように前記電動機の回転数を制御すること、及び必要に応じて電子膨張弁を併用することによって、試験槽内を設定温度に保ち、設定温度以下の過冷状態になった場合には加熱器で昇温する手法を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバーター搭載の冷凍機によって試験槽内の温度をエネルギー効率よく制御する恒温形耐候光試験機に関するものである。

光を照射して試料の促進劣化を調べる耐候光試験は、試料の実環境での劣化挙動に対応させるために、各種光源の中から試験対象の試料に適した光源を選択し、場合によっては試料と光源の間にフィルターを介して波長を調整し、実環境における劣化の挙動に近似させる条件で試験をする方法がとられている。

光源には、キセノンアークランプ、サンシャインカーボンアーク、紫外線カーボンアーク、メタルハライドアークランプ、各種蛍光灯が使用されている。これらの光源を搭載した耐候光試験機には、試験槽内の温度を試験設定条件に維持するために、空気調和器が搭載され、温度センサーで得られた値を前記空気調和器に付随した運転制御装置に伝達し、設定条件になるように前記空気調和器を作動させている。（例えば特許文献１）
特許３７０５４９７号公報

キセノンアークランプを用いた耐候光試験機で放射照度が低いレベルでは、通常加熱器と外気導入機構を搭載した空気調和器で試験槽内の温度を制御している。

しかし、放射照度が高い場合には、ランプからの放熱が大きくなり、外気の導入だけでは試験槽内の温度が過上昇し、制御することができなくなる。このために、この試験機では低い照度にも対応が可能なように、冷凍機に連結した冷却器を空気調和器に搭載して試験設定温度に制御している。

また、冷凍機と冷却管の間に電子膨張弁を取り付け、冷媒の吐出量を変化させて冷凍能力制御する方式の耐候光試験機もある。

また、加熱器、加湿器と複数の冷凍機と電子膨張弁あるいはインバーターを備えたシステムから構成された光源を搭載しない環境試験機用の空調装置があり、大型冷凍機を用いることなく小型の冷凍機を多数組み合わせて、小出力から大出力を連続的に制御する、いわゆる台数制御技術に関するものがあり、省エネルギーを目的としている。（例えば特許文献２）
特願平１１−６７３３０

定格の出力で運転する冷凍機を搭載した耐候光試験機において、低放射照度で試験をした場合には、試験槽内の温度が設定温度以下の状態になる場合がある。この過冷状態を相殺するために加熱器を作動させることになる。この過冷分のエネルギーと、これを相殺するために必要な加熱器のエネルギーは本来不要のものであり、従って、本方式を適用した従来の空気調和器はエネルギー効率が悪い。

また、定格で運転する冷凍機と共に前記電子膨張弁を搭載した耐候光試験機において、試験槽内温度が設定温度近傍になった場合には、前記電子膨張弁の開度を絞り、冷却器の冷却能力を低下させて運転する。しかしこの場合、冷媒の戻り量が少なくなると冷凍機が過負荷になるので、実際には前記電子膨張弁を完全には閉じることはせず、冷凍機の定格最低負荷運転になるように前記電子膨張弁の開度を調整して運転するので、前記電子膨張弁の機能を十分に活用することができない。

また、前記冷凍機の電動機の回転数は一定に制御されるので前記冷凍機の吸い込み能力は常に一定である。この状態で前記電子膨張弁の開度を小さくすると、冷媒の吐出量が少なくなり、冷凍機に連結した冷却器内の冷媒の蒸発速度が速くなるので、前記冷却器の冷却管表面温度が著しく低下し、前記冷却管の外表面に結露が生ずる。

蒸発速度が著しく速い場合には結露水が凍結し、凍結層が厚くなると前記冷却器表面の熱交換効率が悪くなるので、前記試験槽内の温度が上昇する。前記温度が設定温度を超えると設定条件に追従しようとするための、試験装置に搭載した試験制御システムが前記電子膨張弁の開度を大きくする信号を出す。

この結果、冷却器の外表面に結露した水分が凍結し、凍結層で覆われ熱交換効率の悪い状態で冷却器中に冷媒が吐出することになるので、冷媒の蒸発速度が遅くなり、前記試験槽の温度は設定値から逸脱することになる。また、冷媒が気化しきれずに圧縮機に戻ると、圧縮機の性能低下及び故障の原因になる。

上述の如く耐候光試験機の温度制御にはさまざまな技術が適用されているが、光源から多量の熱を発する耐候光試験機において、−２０℃程度からプラス８０℃程度の温度範囲と、２０パーセントから１００パーセントの相対湿度範囲の空調を短時間内に実現し、さらに冷却器の表面の結露水の凍結防止をも配慮し、しかもこれを一台の冷凍機で温調する耐候光試験システムは見当たらない。

本発明は、このような従来到達できなかった課題を解決しようとするもので、過剰な能力を有した経済的に高価な冷凍機と加熱器を搭載することなく、最適な能力を有する省エネルギー型の冷凍機と加熱器を搭載し、良好なエネルギー効率で前記試験槽内の温度制御を行い、前記冷却器表面に凍結することのない耐候光試験システムを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、例えば、キセノンアークランプ、メタルハライドアークランプ、サンシャインカーボンアークランプ、紫外線カーボンアークランプを光源とした耐候光試験機で、放射照度を高く設定すると、試料の温度が上昇するので、温度、湿度、場合によっては、試料近傍の風速をも制御する必要が生じ、このために試験機内の空調部分に、加湿器、加熱器及び電動機の回転数を制御するためのインバーターを搭載した冷凍機に連結した冷却器を設け、インバーターからの出力周波数を段階的に変化させて温調を行う、繰り返し再現性が良く、省エネルギー型の耐候光試験方法を提供することを目的とするものである。

インバーターには、連続的に周波数を変化させることができるものと、複数の決められた周波数を選択するものとがある。前者の冷凍機を稼動した場合には連続的に冷凍能力を変化することができ、後者の場合には、不連続の冷凍能力が得られることを意味する。

前者の連続可変型インバーターの場合には、前記試験槽内に設置した温度センサーの値が前記試験設定温度の値より高い場合は、耐候光試験機の運転制御装置からの信号によって前記インバーターからの出力を前記試験槽内に設置した前記温度センサーの値と前記試験設定温度との値の差に応じて変化させて、前記温度センサーの値が前記試験設定温度に到達するまで冷凍機を稼動する。

試験槽内の温度変化が頻繁に起こる条件の場合には、インバーターの周波数がその温度変化に伴って変わり、このために冷凍機の回転数も頻繁に変化する。冷凍機は圧縮機の一種であるので、急速な過渡応答に対しては追従できず、急激な回転数の増加時には、可動部分の負荷が大きくなり、機械の寿命を早めることになる。したがって周波数の頻繁な変化をできるだけ避けねばならない。

本発明は、インバーターの周波数を段階的に選択して冷凍機の回転を頻繁に変えることなく稼動させて温度調節を行う方法に関するものである。すなわち、周波数を選択する形式のインバーターで冷凍機を稼動する場合には、予め光源の出力を変化させたときに試験槽内の温度を設定温度以下にすることが可能な冷凍機の最小出力すなわちインバーターの前記周波数を求め、その周波数を前記運転制御装置の記憶回路に登録しておく。

耐候光試験の実施時には、前記運転制御装置に登録してある光源の出力とインバーターの周波数との関係を基に、光源の出力に見合った前記周波数で冷凍機を稼動し、前記試験槽内の温度が設定温度以下になったときには、前記加熱器を稼動させて温度調節を行う。

前記周波数で冷却を行っても前記試験槽内の温度が前記設定温度以上の場合には、前記周波数の値を１段階冷凍能力が大きくなる値に変更させるように前記制御パネルが指示を出す。光源の出力を変更した場合、あるいは光源の照射強度が劣化などで変動した場合にも、前記制御パネルが前記光源の出力に見合った周波数を選定し前記インバーターに指示を出し、前記１段階冷凍能力が大きくなる値と光源の出力に連結した周波数が異なった場合には、１段階冷凍能力が大きくなる値を優先する。

インバーターだけでは温度制御が不連続になるので、冷凍機に電子膨張弁を取り付けて作動させ、設定温度からの偏差の程度に応じて電子膨張弁の開度を変化させることによってオーバーシュートの非常に少ない温度制御を実現することが可能となる。このときの制御には比例制御又はＰＩＤ制御などが適用される。

上述の耐候光試験機で試験される試料の多くは、実生活環境で用いられるものがほとんどであり、この場合、実環境での劣化と耐候光試験の結果を一致させるためには、できるだけ実環境を再現する促進劣化条件で試験しなければならない。このためには、試験槽の中に設置した光源からの熱の影響を受けない、３５℃から４０℃の間で温度制御すると共に、また、光源からの放熱が大きいランプを使用した場合には、前記試料表面温度を一定に維持するために、従来の装置では、前記試験槽内の風速を変化させて、対応しているが、試料の劣化に影響する欠点があった。本発明の技術を用いれば風量、風速をも一定にして試験できる。

本発明によれば、過剰な容量の冷凍機と加熱器を搭載することなく、冷却時に前記冷却器に凍結を生ずることがなく、省エネルギーで温度の制御能力が優れた温調を行うことができるので、試験結果の繰り返し再現性が良好で、消費電力の少ない耐候光試験システムを提供することが出来る。また商用電源の周波数の異なる地域においても、同一の試験機で試験が可能となる。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１はキセノンアークランプを搭載した恒温形耐候光試験機における本発明に関わる主要構成部品の結合関連図である。

試験槽１内の中央には、縦型水冷キセノンアークランプ２があり、その周囲に回転式試料枠３が設置されており、回転式試料枠３には試料４とブラックパネル温度計５が装着されている。

試験槽１上部の一部が開口しており、この開口部近傍に、試験槽内の温度と湿度を調整した気流を循環するための循環送風機６が取り付けられている。

試験槽１の開口部近傍の試験槽内の壁面には、乾球温度計７と湿度計８が光源から遮蔽された状態で取り付けられている。循環送風機６の下部には、冷却器９が取り付けられており、ここを通過するときに気流は冷却される。冷却器９は電子膨張弁１０、冷凍機１１、インバーター１２と連結している。

冷却器９の下方には加湿器１３と加熱器１４が設置されている。

図には示されていないが、キセノンアークランプ２の負荷電力、ブラックパネル温度計５、乾球温度計７、湿度センサー８、の信号に従って冷却器９、加湿器１３、加熱器１４を制御する運転制御装置がある。

キセノンアークランプの点灯電力が７．５ｋＷを搭載した試験機で、４．５ｋＷ冷凍機と３ｋＷのヒーターが搭載され、キセノンアークランプが点灯しているときには、従来のインバーターを搭載していない試験機においては、点灯電力の多少に拘わらず冷凍機は定格状態で運転し、ヒーターの容量を変化させることによって温度を調節していたが、本発明では、前記試験機に冷凍機にインバーターを搭載し周波数を段階的に選択することによって不要なエネルギーを使わずに温度を調節することとし、前記点灯電力が５ｋＷ以上の場合には前記インバーターの出力周波数を４５Ｈｚとし、３ｋＷから５ｋＷの間は４０Ｈｚとし、３ｋＷ以下の場合には３５Ｈｚの３段階に設定した。

また暗黒時（無点灯時）には３５Ｈｚとした。冷凍機の定格出力は５０Ｈｚのときの値であり、インバーターの出力周波数に比例して前記冷凍機の出力が変化する。周波数の選定はインバーターの４ビット制御端子に連結した二つのリレー（仮称リレー１とリレー２）で行った。

すなわち、リレー１，２がＯＦＦの時には４５Ｈｚ、リレー１がＯＮでリレー２がＯＦＦの時には４０Ｈｚ、リレー１がＯＦＦでリレー２がＯＮの時には３５Ｈｚとした。

キセノンアークランプの放射する熱は、点灯電力が７．５ｋＷの時にはおおよそ３ｋｗに相当しこの値は点灯電力にほぼ比例して変動する。この値を基に、冷凍機の周波数をそれぞれ選定した。したがって、点灯電力が低い時ほど冷凍機の消費電力を少なくすることができ、これに伴って過冷防止のために作動させていたヒーターの電力値も低くすることが可能となる。

実施例の試験機では電子膨張弁が作動しているので、電力消費量を個々の部分で検出することは難しいが、点灯電力が３ｋＷのときにインバーターを使用しなかった時との比較（インバーター周波数が３５Ｈｚのとき）を以下に記す。

インバーター使用時 インバーターを使用しない場合
１：ランプ点灯電力 ３ ｋＷ ３ ｋＷ
２：ランプからの放熱 １．２ ｋＷ １．２ ｋＷ
３：冷凍機電動機負荷電力 １．０５ｋＷ １．５ ｋＷ
４：冷凍出力 ３．１５ｋＷ ４．５ ｋＷ
５：ヒーター作動電力 ０ ｋＷ １．３５ｋＷ
合計：１＋３＋５ ４．０５ｋＷ ５．８５ｋＷ

上記の値は最も差が著しい状態においての試算結果であり、約３１パーセントの省エネルギー運転となる。実際の試験の場合には、おおよそ０パーセントから３０パーセントの間の省エネルギー運転が可能となる。

電子膨張弁で冷媒の吐出量を変えて温度制御することは有効な方法であるが、冷凍機の下限能力以下になるような吐出量に絞ると冷凍機が過負荷になると共に、冷媒の蒸発速度が速くなるので冷却器の温度が低くなり冷却器の表面が凍結して冷却能力を低下させるため、試験槽の温度が上昇し始める。運転制御装置からは冷媒の吐出量を増大させる指示が出ることになり、冷却器表面の凍結層が厚くなり、甚だしい場合には気流の通過を遮断すると共に、液体状態の冷媒が圧縮機に戻ってしまう。この液体を圧縮することは冷凍機の圧縮機の故障原因になり、好ましいことではない。

インバーターを使用した場合には、このような過度の負荷が冷却システムに作用することはない。

キセノンアークランプを搭載した恒温形耐候光試験機における主要構成部品の結合関連図である。

符号の説明

１、 試験槽
２、 キセノンアークランプ
３、 試料枠
４、 試料
５、 ブラックパネル温度計
６、 循環送風機
７、 乾球温度計
８、 湿度センサー
９、 冷却器
１０、電子膨張弁
１１、冷凍機
１２、インバーター
１３、加湿器
１４、加熱器

Claims (7)

1. キセノンアーク、メタルハライドアーク、サンシャインカーボンアーク、紫外線カーボンアークのいずれかを光源とし、光源の異なる出力において試験槽内の温度制御を行う耐候光試験方法であって、該耐候光試験方法は耐候光試験機に、複数の周波数を段階的に選択設定できるインバーターで冷凍機の回転数を選択して冷却を行うことによって温度制御を行う冷却器を搭載し、予め、選択可能な周波数で冷却したときの光源の出力、インバーターの周波数、前記試験槽内の温度との関連を求め、そのデータを運転制御装置に記憶させておき、設定温度に最も近い条件になるように前記周波数を選定して冷凍機を運転制御し、前記設定温度より前記試験槽内の温度が高い場合には、前記周波数より1段階大きな周波数で冷凍機を作動させて冷却し、前記試験槽内の温度が前記設定温度より低い場合には、前記設定温度と前記試験槽内の温度との差の程度に応じて、冷凍機に連結する膨張弁と加熱器とを作動させることを特徴とする恒温形耐候光試験方法。
2. 前記冷凍機が定格運転範囲の下限以下で冷凍機を稼動する条件で試験を行う場合には、冷凍機を停止することなく前記冷凍機の定格運転範囲の下限で運転を維持し、過冷却になる分は加熱器を作動させて前記試験槽内の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の恒温形耐候光試験方法。
3. 前記試験槽内に流れる気流の風量と風速を一定に保ち、インバーターと冷媒の吐出量が制御可能な膨張弁と冷凍機とで構成された冷却器及び加熱器によって前記試験槽内の温度を制御することを特徴とする請求項1または請求項２に記載の恒温形耐候光試験方法。
4. 前記試験槽内に設置した乾球温度計が３５℃から４０℃の間を指示するように制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の恒温形耐候光試験方法。
5. 前記試験槽内の試料枠に取り付けた耐候性黒色エナメルを２回吹き付けて焼付け仕上げした金属板及び感熱部からなるブラックパネル温度計の指示温度が一定に維持されるように、前記設定温度を制御することを特徴とする請求項1から請求項４のいずれかに記載の恒温形耐候光試験方法。
6. 前記試験槽内の試料枠に取り付けた耐候性黒色エナメルを２回吹き付けて焼付け仕上げした金属板の裏側中央に感熱部を固定し、さらに断熱材を貼り付けたブラックスタンダード温度計の指示温度が一定に維持されるように、前記設定温度を制御することを特徴とする請求項1から請求項４のいずれかに記載の恒温形耐候光試験方法。
7. 請求項1から請求項６のいずれかに記載の恒温形耐候光試験方法を実施するための恒温形耐候光試験機。