JP4211912B2 - 恒温恒湿装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験槽内を恒温恒湿に保ち、電子部品や電子機器等の環境試験を実施するための恒温恒湿装置に係り、特に環境試験に要する消費電力の削減に好適な恒温恒湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
恒温恒湿装置は、たとえば電子部品等の温度、湿度という環境ストレスに対する耐性や特性の変化を評価するために用いられ、極低温条件から高温条件まで広範囲な試験に対応するため、温度制御範囲は例えば−70℃〜150 ℃と設定している。
【０００３】
このような極低温条件での試験が可能な恒温恒湿装置においては、従来冷凍装置として凝縮器を有する高温側サイクルと蒸発器を有する低温側サイクルとを前者に対しては蒸発器の働らきをし後者に対しては凝縮器の働らきをするカスケードコンデンサで接続した二元冷凍サイクルを用いる二元冷凍方式が採用され、装置運転範囲すべてにおいて二元冷凍方式での運転を実施していたり、または、二元冷凍方式と冷凍サイクルが１つの単段冷凍方式の二つの冷凍装置を併設し、運転条件により使い分けを実施していた。
【０００４】
なお、二元冷凍方式の装置として関連するものには、例えば特開平６−１８２２３５号公報が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
恒温恒湿装置の試験槽内の温度制御は、循環空気を冷凍装置の冷却器により冷却し、その冷却された空気を加熱器により必要熱量を加熱して一定に保つようにしている。
【０００６】
しかしながら、冷凍装置として、二元冷凍方式の冷凍装置のみを装備している場合では、広範囲な運転範囲におけるすべての運転条件において二元冷凍方式での運転となり、二元冷凍方式を必要としないたとえば槽内温度−３０℃以上の運転の場合でも、低温側及び高温側の二系統の圧縮機を運転する必要があり、また冷凍装置の容量は、下限温度での必要冷却能力で決定されるため、槽内温度が高い条件たとえば４０℃以上では冷却能力が過大となり、その分加熱器の出力が増大し、結果として装置の消費電力が多くなるという問題点があった。
【０００７】
一方、二元冷凍方式と単段冷凍方式の複数の冷凍装置を併設し、運転条件により冷凍装置を使い分ける場合においては、消費電力は低く抑えられるが、冷凍装置を構成する部品が多くなることから恒温恒湿装置の設備費が高くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解決し、恒温恒湿装置の運転に要する消費電力を低減することができ、かつ、装置の設備費を低減することができる恒温恒湿装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による恒温恒湿装置は、請求項１に記載されたところを特徴とするものである。すなわち、独立項としての請求項１に係る発明による恒温恒湿装置は、凝縮器を有する高温側サイクルと蒸発器を有する低温側サイクルとを、前者に対しては蒸発器の働らきをし後者に対しては凝縮器の働らきをするカスケードコンデンサで接続し、後者の蒸発器を作動させて冷却を行うようにした二元冷凍サイクルを有する冷凍装置と、熱の移動を遮断するため断熱材により囲まれた試験槽とを備え、該試験槽内に、送風機、加熱器、加湿器及び前記後者の冷却器としての蒸発器を配設し、前記送風機により前記試験槽内の空気を循環させ、前記加熱器、前記加湿器及び前記低温側サイクル中の冷却器としての蒸発器を作動させて、前記試験槽内の温度、湿度を制御する恒温恒湿装置であることを前提とした上で、前記高温側サイクルに、前記カスケードコンデンサと並列に蒸発器を設け、該蒸発器を前記試験槽内に２台目の冷却器として設置し、従来の二元冷凍方式の運転に加えて、高温側サイクルのみによる単段冷凍方式の運転を可能にすると共に、前記二元冷凍サイクルの前記高温側サイクルに、前記高温側サイクルの前記凝縮器と前記カスケードコンデンサと並列に設けられた前記蒸発器とを並列に接続する配管、流量調整弁及び遮断弁からなる冷媒流路切換手段を設け、前記カスケードコンデンサと並列に設けられた前記蒸発器を、前記二元冷凍方式の運転時の必要冷却能力が小さい場合には凝縮器として働くように、前記蒸発器に前記圧縮機の吐出側の冷媒の一部を流すようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１ないし図５に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、恒温恒湿装置の側面断面図である。図１において１は、恒温恒湿装置全体を包む筐体であり、筐体１壁内に設けた断熱材１ａにより周囲から熱遮断された空間が、被試験品を収容する試験槽２である。試験槽２内には、二元冷凍装置（図示せず）の高温側サイクルに接続された冷却器３と低温側サイクルに接続された冷却器４、加熱器５、加湿器６及び送風機７が装備されている。
【００１２】
試験槽２内の温度と湿度とは、送風機７の運転により試験槽２内の空気を循環し、冷却器３及び４にて循環空気を冷却・除湿し、加熱器５及び加湿器６の出力を調整して設定温度・湿度に制御している。なお、冷却器３及び４の上下位置関係は、図１と逆でもかまわない。
【００１３】
図２は、第１の実施例で、上記の冷却器３及び４を含む冷凍装置の冷凍サイクル系統の概略図である。
【００１４】
二元冷媒装置の高温側の冷凍サイクルの主要部品は、圧縮機８、凝縮器９、膨張弁１０ａ，１０ｂ、カスケードコンデンサ１１、冷却器３及びカスケードコンデンサ１１と冷却器３各々の上流側の膨張弁１０ａ，１０ｂの上流側に設けた電磁弁１２、１３で構成され、二元冷凍装置の低温側の冷凍サイクルの主要部品は、圧縮機１４、カスケードコンデンサ１１、膨張弁１５、冷却器４及びリリーフ弁１６ａ、膨張タンク１６ｂからなるリリーフ回路１６で構成されている。
【００１５】
高温側サイクルの冷却器３は、カスケードコンデンサ１１と並列に接続され、各々の上流側に設けた電磁弁１２、１３の開閉により、冷媒の流れを冷却器３側あるいはカスケードコンデンサ１１側に流れるように切換え可能となっている。そして高温側サイクルの冷媒の流れの切換えは、試験槽内の温度により制御し、低温条件例えば−３０℃未満の場合には、二元冷凍方式の運転とするため、冷却器３側の電磁弁１３を閉、カスケードコンデンサ１１側の電磁弁１２を開として、冷媒をカスケードコンデンサ１１に流し、低温側サイクルの冷媒を冷却し液化する。
【００１６】
次に高温条件例えば−３０℃以上の場合には、高温側サイクルのみの単段運転とするため、冷却器３側の電磁弁１３を開、カスケードコンデンサ１１側の電磁弁１２を閉として、冷媒を冷却器３側に流し、冷媒の蒸発作用により循環空気を冷却する。したがって、二元冷凍サイクルの運転を必要としない高温条件での運転の場合には、高温側サイクルのみを運転すれば良いこととなり、恒温恒湿装置の運転に要する消費電力を低減することが可能となる。
【００１７】
また、インバータ１７を搭載し、高温側サイクルの圧縮機８をインバータ制御することで、必要冷却能力の小さい槽内高温条件の場合には、装置冷却能力を小さくし温湿度を制御するための加熱器５、加湿器６の出力を低減することができ、さらに消費電力を低減することが可能となる。また、二元冷凍サイクルの運転の場合においても、高温側サイクルの冷却能力の変化により低温側サイクルの凝縮圧力が変化することから、低温側圧縮機14の体積効率の変化等により低温側サイクルの冷却能力も変化する。
【００１８】
さらに、冷却能力低減の場合には、高温側サイクルの冷却能力低下により低温側サイクルの凝縮圧力が上昇し、リリーフ弁１６ａの設定値以上に圧力が上昇すると、低温側のリリーフ回路１６により冷媒が、主回路からバイパスされることで大幅に冷却能力の低減が可能となる。したがって、高温側サイクルの圧縮機８をインバータ制御することで二元冷凍サイクルの運転の場合の冷却能力も変化させることができ、槽内温度が設定温度に到達後の一定に保持する場合のような必要冷却能力の小さい運転時に冷却能力を低下させることで、加熱器５の出力を低減することができ、冷凍サイクルの運転範囲全領域にて消費電力の低減が可能となる。
【００１９】
図３は、第２の実施例での二元冷凍サイクルの高温側サイクルの概略図である。図２の高温側サイクルに、圧縮機８と凝縮器９との間より冷却器３への分岐経路を設け、その経路には電磁弁２０及び流量調整弁２５を備えている。また、冷却器３から二元冷凍サイクルの運転時用の膨張弁１０ａと電磁弁２４との間に接続する電磁弁２３を備えた回路を設けている。さらに、冷却器３から圧縮機８の低圧側に至る経路には、電磁弁２１を備えている。そして電磁弁２０ないし２４の開閉の組み合わせにより通常の二元冷凍サイクル運転、単段冷凍サイクル運転に加え、二元冷凍サイクルの運転時に冷却器３を凝縮器の一部として循環空気の加熱用に利用する運転の３通りの運転の切換を可能としている。
【００２０】
冷媒の流れは、通常の二元冷凍サイクルの運転時（以下、運転パターンＡと呼ぶ）は、電磁弁２４が開、その他の電磁弁２０ないし２３は全て閉として圧縮機８、凝縮器９、二元冷凍サイクル運転用の膨張弁１０ａ、カスケードコンデンサ１１となる。
【００２１】
二元冷凍サイクル運転にて冷却器３を凝縮器の一部として使用する運転時（以下、運転パターンＢと呼ぶ）は、電磁弁２０、２３、２４が開、電磁弁２１、２２が閉として、圧縮機出口の高温ガス冷媒の一部が冷却器３を通過する流れとなる。このとき、冷却器３を流れる冷媒量は、試験槽内の温度を一定に保持する運転条件の場合には二元冷凍サイクルの冷却能力以下の加熱量になるように流量調整弁２５により調整する。
【００２２】
単段冷凍サイクルの運転時（以下、運転パターンＣと呼ぶ）の冷媒の流れは、電磁弁２１、２２が開、電磁弁２０、２３、２４が閉として冷媒の流れは、圧縮機８、凝縮器９、単段運転用膨張弁１０ｂ、冷却器３となる。
【００２３】
運転パターンの切換は、試験槽内温度及び装置運転状態により切換え、例えば槽内温度−３０℃未満では、二元冷凍サイクルによる運転とし、設定温度に対し槽内温度が高く温度降下中の運転状態の時は、必要冷却能力が大きいため運転パターンＡとし、設定温度に到達後の槽内温度を一定に保持する運転状態の時は、必要冷却能力が小さくなるため、運転パターンＢとして高温側サイクルの凝縮能力を槽内空気の加熱に利用することで、温度調整用の加熱器５の出力を低減することが可能となる。また、槽内温度により一定温度に保持する必要冷却能力は異なるため、流量調整弁２５の開度調整により加熱量を調節することで、加熱器５の出力を槽内温度の条件によらず必要最低限に抑えることが可能となる。
【００２４】
そして、槽内温度が−３０℃以上では、運転パターンＣとして高温側サイクルのみの単段冷凍サイクルの運転とすることで、圧縮機１台のみの運転とする。以上により、広範囲な運転条件において消費電力を低減した運転が可能となる。また、第１の実施例と同様に高温側サイクルの圧縮機８のインバータ制御と組み合わせることでさらに消費電力を低減することが可能となる。
【００２５】
図４は、第３の実施例で図３の第２の実施例に対し流量調整弁２５を取り外し、電磁弁２０ないし２４のみで運転パターンの切換を可能とした高温側サイクルの概略系統図である。凝縮器９を２分割しその凝縮器９ａ及び９ｂ間より冷却器３への分岐管を接続し、運転パターンＢの時上流側の凝縮器９ａを通過した冷媒を冷却器３に流すことにより、加熱能力を冷却能力以下とし槽内温度の保持を可能としている。
【００２６】
また、図５は、第４の実施例で運転パターンの切換に四方弁２６を用いた場合の実施例を示す。電磁弁２１の代わりに逆止弁２７を取付け、運転パターンＢにおける加熱量の調節を、流量調整弁２９の開度調整により凝縮器９への流量調整にて行うようにしている。図４及び図５の実施例においても図３の実施例と同様に、運転パターンの切換が、可能となり、消費電力を低減した運転が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、恒温恒湿装置において運転条件によって二元冷凍方式による運転と高温側サイクルのみによる単段冷凍方式による運転とに切換え、さらに必要冷却能力に合わせて冷凍機の冷却能力を変化させることで、温度調整用の加熱器の出力を低減し、また、単段冷凍方式のときに、圧縮機を停止させるので、装置運転に要する消費電力を低減することが可能となる。
【００２８】
また、パターンＢは、必要加熱量の一部を凝縮器で補なうため、加熱器の出力を下げ消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による恒温恒湿装置の側面断面図である。
【図２】本発明による恒温恒湿装置の第１実施例の冷凍サイクル系統概略図である。
【図３】本発明による恒温恒湿装置の第２実施例における冷凍サイクル系統高温側概略図である。
【図４】本発明による恒温恒湿装置の第３実施例における冷凍サイクル系統高温側概略図である。
【図５】本発明による恒温恒湿装置の第４実施例における冷凍サイクル系統高温側概略図である。
【符号の説明】
１…筐体
２…試験槽
３…冷却器（高温側）
４…冷却器（低温側)
５…加熱器
６…加湿器
７…送風機
８…圧縮機（高温側）
９…凝縮器
１０ａ，１０ｂ…膨張弁（高温側）
１１…カスケードコンデンサ
１２，１３，２０〜２４，２８…電磁弁
１４…圧縮機（低温側）
１５…膨張弁（低温側）
１６…リリーフ回路
１６ａ…リリーフ弁
１６ｂ…膨張タンク
１７…インバータ
２５，２９…流量調整弁
２６…四方弁
２７…逆止弁

Claims (1)

1. 凝縮器を有する高温側サイクルと蒸発器を有する低温側サイクルとを、前者に対しては蒸発器の働らきをし後者に対しては凝縮器の働らきをするカスケードコンデンサで接続し、後者の蒸発器を作動させて冷却を行うようにした二元冷凍サイクルを有する冷凍装置と、熱の移動を遮断するため断熱材により囲まれた試験槽とを備え、該試験槽内に、送風機、加熱器、加湿器及び前記後者の冷却器としての蒸発器を配設し、前記送風機により前記試験槽内の空気を循環させ、前記加熱器、前記加湿器及び前記低温側サイクル中の冷却器としての蒸発器を作動させて、前記試験槽内の温度、湿度を制御する恒温恒湿装置において、
   前記高温側サイクルに、前記カスケードコンデンサと並列に蒸発器を設け、該蒸発器を前記試験槽内に２台目の冷却器として設置し、従来の二元冷凍方式の運転に加えて、高温側サイクルのみによる単段冷凍方式の運転を可能にすると共に、前記二元冷凍サイクルの前記高温側サイクルに、前記高温側サイクルの前記凝縮器と前記カスケードコンデンサと並列に設けられた前記蒸発器とを並列に接続する配管、流量調整弁及び遮断弁からなる冷媒流路切換手段を設け、前記カスケードコンデンサと並列に設けられた前記蒸発器を、前記二元冷凍方式の運転時の必要冷却能力が小さい場合には凝縮器として働くように、前記蒸発器に前記圧縮機の吐出側の冷媒の一部を流すようにしたことを特徴とする恒温恒湿装置。

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