JP4476214B2 - 空調装置及び環境試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、氷点の近傍を跨いで温度調節を行う空調装置に関するものである。また本発明は、氷点の近傍を跨いで庫内温度を変化させる環境試験装置に関するものである。

製品や素材等の性能や耐久性を試験する装置として、環境試験装置が知られている（特許文献１，２）。環境試験装置は、恒温恒湿槽や環境試験室を備え、これらの内部の温度や湿度等を所望の試験環境に調整するものである。
環境試験の内容はまちまちであり、被試験物を低温環境に置く場合もあれば、高温環境に晒す場合もある。あるいは低温環境から高温環境に変化させたり、逆に高温環境から低温環境に変化させる場合もある。
そのため環境試験装置に装備される空調装置は、低温領域から高温領域に渡って広く温度調節できることが必要である。
この様な理由から環境試験装置に装備される空調装置は、低温環境を作るための冷凍機と高温環境を作るためのヒータが内蔵されている場合が多い。

一方、環境試験は長時間に渡って連続的に行われる場合も多く、その場合には消費する電力が相当に大きなものとなる。そのため消費電力の少ない環境試験装置の開発が望まれている。
そこで温度領域を極低温領域と、低温領域及び高温領域に分け、極低温領域については通常の冷凍機を使用し、低温領域については水を循環させて低温環境を維持するタイプの環境試験装置が知られている。

上記した形式の環境試験装置は、冷却装置として、相変化する冷媒を循環させる熱交換器（蒸発装置）の他に、水を主体とする冷媒を循環させる熱交換器を有している。二つの熱交換器は、いずれも試験室と連通する空気流路に設置される。
そして試験室を極低温領域に空調する場合には相変化する冷媒を循環させる熱交換器（蒸発装置）を使用して試験室の空気と熱交換を行う。また５°Ｃ程度から常温近傍までの低温領域に空調する場合には水を主体とする冷媒を循環させる熱交換器を使用して試験室の空気を冷却する。

特開２００１−２６４２３９号 特開２００３−１２１３４０号

上記した構成の環境試験装置は、水を循環させる熱交換器が、相変化する冷媒を循環させる熱交換器（蒸発装置）と同一の空気流路に置かれるため、蒸発装置を使用して空調を行う場合には、水を循環させる熱交換器が低温に晒され、循環水が凍結する危険がある。
循環水の凍結を防止するために、水に不凍液を配合する場合もあるが、極低温に温度調整する場合には凍結を防ぐことはできない。
そこで循環水が凍結する恐れがある場合には試験に先立って、熱交換器から水を抜いておくことが賢明である。
そのため循環水が凍結する恐れがある場合には、試験に先立って循環水のタンクと熱交換器とを接続する開閉弁や、供給水の開閉弁を閉じ、排水弁を開いて熱交換器等の中に溜まった水を排水する。

熱交換器やこれに連通する配管から水が抜けておれば、熱交換器内において水が凍結することはなく、熱交換器が破損することはない。
しかしながら、循環水のタンクと熱交換器を接続する開閉弁が、ごみ噛み等によって充分に閉じていなかったり、弁が傷んでいて水漏れがあると、試験中に熱交換器内に水が流れ込む。供給水の開閉弁に漏れがある場合も同様であり、試験中に熱交換器内に水が流れ込む。その結果、熱交換器内で水が凍結し、熱交換器に致命的な損傷を与える場合がある。
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、温度領域を極低温領域と、低温領域及び高温領域に分け、低温領域については水を循環させて環境を維持するタイプの環境試験装置を改良するものであり、熱交換器内への水の侵入を完全に阻止することができ、熱交換器の破損を未然に防止することができる空調装置の開発を課題とするものである。
また併せて本発明は、熱交換器の破損を未然に防止することができる環境試験装置の開発を課題とするものである。

そして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、水を主体とする冷媒を循環させる水冷媒用熱交換器と、表面温度が氷点下の温度となる強冷用熱交換器を有する空調装置において、強冷用熱交換器によって熱交換を行う際に、前記水冷媒用熱交換器内の冷媒を気体と置換し、さらに前記水冷媒用熱交換器内の気体を、前記水冷媒用熱交換器内に前記冷媒を供給可能な給水源の圧力以上に維持することを特徴とする空調装置である。

また請求項２に記載の発明は、前記水冷媒用熱交換器内に連通する入側冷媒配管と出側冷媒配管を備え、前記入側冷媒配管及び出側冷媒配管には開閉弁が設けられ、さらに前記水冷媒用熱交換器内に連通し、前記水冷媒用熱交換器内に気体を導入する気体導入配管を備え、前記冷媒を気体に置換する場合には、気体導入配管を介して気体を導入することを特徴とする請求項１に記載の空調装置である。

上記した請求項１、２に記載の空調装置では、強冷用熱交換器によって熱交換を行う際に、水冷媒用熱交換器内の冷媒を気体と置換し、さらに水冷媒用熱交換器内の気体を、前記水冷媒用熱交換器内に前記冷媒を供給可能な給水源の圧力以上に維持する。そのため例え開閉弁等に漏れがあったとしても、水冷媒用熱交換器側の気体圧力に押されて水が水冷媒用熱交換器側に流れ込まない。

請求項３に記載の発明は、前記冷媒を気体に置換する場合には、水冷媒用熱交換器に加えて、水冷媒用熱交換器と連通する配管の一部又は全部についても内部の冷媒を気体と置換し、さらに前記配管内の気体を前記給水源の圧力以上に維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置である。

本発明の空調装置では、前記冷媒を気体に置換する場合には、配管内の冷媒についても気体と置換し、その気体の圧力を前記給水源の圧以上に維持することから、凍結による障害をより完全に防止することができる。

また請求項４に記載の発明は、圧力監視手段を有し、当該圧力監視手段によって水冷媒用熱交換器内の気体の圧力を監視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空調装置である。

本発明の空調装置は、圧力監視手段によって水冷媒用熱交換器内の気体の圧力が監視されている。そのため開閉弁の不良等によって水冷媒用熱交換器側の気体圧力が低下した場合に、その事実を知ることができ、早期に対策を講じることができる。

請求項５に記載の発明は、水冷媒用熱交換器内の気体の圧力が低下した時にその事実を知らせる報知手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の空調装置である。

本発明の空調装置では、水冷媒用熱交換器側の気体圧力が低下した場合に、報知手段がその事実を知らせる。そのため早期に対策を講じることができる。

また請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の空調装置が搭載された環境試験装置である。

本発明の環境試験装置では、空調装置の開閉弁等に漏れがあったとしても、水が水冷媒用熱交換器側の気体圧力に押されるので、水冷媒用熱交換器側に水が流れ込まない。

本発明の空調装置及び環境試験装置は、水を主体とする冷媒によって試験室等の温度を降下させることができるので消費電力が少ない。また試験室等を極低温領域に降下させる場合でも水を主体とする冷媒が凍結することはなく、故障が少ない。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の環境試験装置の斜視図である。図２は、図１の環境試験装置に付属する空調装置の作動原理図である。図３は、図１の環境試験装置の動作を示すフローチャートである。
図１において、１は本発明の実施形態の環境試験装置を示す。環境試験装置は、公知のそれと同様に内部に恒温恒湿槽２を備え、当該恒温恒湿槽２を空調する空調装置３を備えている。
空調装置３は、一連の空気流路５を有し、当該空気流路５は、入り側ダクト６及び出側ダクト７によって恒温恒湿槽２と連通している。

そして本実施形態では、空気流路５内にファン１０、ヒータ１１、水冷媒用熱交換器１２及び強冷用熱交換器１３が内蔵されている。
ここで、ファン１０、ヒータ１１及び強冷用熱交換器１３は、公知のそれと同一である。即ちファン１０は、恒温恒湿槽２内の空気を取り込み、空気流路５を通過させて恒温恒湿槽２に戻す役割をするものである。ヒータ１１は電気ヒータであり、恒温恒湿槽２内の温度を昇温したい場合に使用する。

強冷用熱交換器１３は、具体的には蒸発器であり、圧縮器１５、凝縮器１６及び膨張弁１７と共に一連の冷凍回路１９を構成するものである。
冷凍回路１９には、相変化する冷媒が循環し、冷媒は圧縮、凝縮、膨張、蒸発を繰り返して強冷用熱交換器１３の温度を低下させる。強冷用熱交換器１３の表面温度は、０°Ｃ（氷点）を下回る。

本実施形態の環境試験装置１は、水冷媒用熱交換器１２及びこの周辺回路に特徴がある。即ち水冷媒用熱交換器１２は、水を主体とする冷媒を循環させるものであり、水タンク２０と循環配管２４によって接続されている。循環配管２４は、水タンク２０から水冷媒用熱交換器１２に冷媒を供給する入側冷媒配管２１と、水冷媒用熱交換器１２から水タンク２０側に冷媒を戻す出側冷媒配管２２によって構成されている。
また入側冷媒配管２１には供給側電磁弁（開閉弁）２６が設けられ、出側冷媒配管２２には戻り側電磁弁（開閉弁）２５が設けられている。

循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５の間の部位に、給水配管２７、空気導入配管２８、循環ポンプ３０、圧力センサー３１及び排水用電磁弁３５が設けられている。この内、循環ポンプ３０と、圧力センサー３１、給水配管２７、空気導入配管２８は、供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５の間のいずれの位置にあってもよいが、本実施形態では、一例として入側冷媒配管２１に取り付けられている。
給水配管２７及び空気導入配管２８は、循環配管２４に枝管を設けて取り付けられている。また給水配管２７には給水用電磁弁３３が設けられ、空気導入配管２８には空気供給用電磁弁３２が設けられている。

また空気供給用電磁弁３２は、空気源４５に接続されており、空気供給用電磁弁３２を開くと、循環配管２４及び水冷媒用熱交換器１２内に空気が供給される。さらに給水用電磁弁３３は、給水源５０に接続されており、給水用電磁弁３３を開くと、循環配管２４及び水冷媒用熱交換器１２内に水が供給される。なお前記した空気源４５の圧力は、少なくとも給水源５０の圧力よりも高い。例えば空気源４５の圧力は、０．２ＭＰａ〜０．７ＭＰａ（ケージ圧）程度であり、給水源５０の圧力は、０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａ程度である。

圧力センサー３１についても、循環配管２４に枝管を設けて取り付けられている。従って圧力センサー３１によって循環配管２４内の圧力を検知することができる。循環配管２４内の圧力は、水冷媒用熱交換器１２内の圧力と対応している。

排水用電磁弁３５は、循環配管２４の最も低い位置から分岐された枝管３６に取り付けられている。
また前記した冷凍回路１９の一部が分岐されて別途膨張弁４０と蒸発器４１が取り付けられ、蒸発器４１が水タンク２０内に設置されている。

次に、本実施形態の環境試験装置１の機能について説明する。
本実施形態の環境試験装置１は、恒温恒湿槽２内を低温環境にすることも高温環境にすることもできる。
即ち恒温恒湿槽２内を空調する場合には、ファン１０を起動して恒温恒湿槽２内の空気を空調装置３内に取り込み、希望温度に合わせて熱交換器１２，１３やヒータ１１を機能させる。

即ち恒温恒湿槽２内を高温に空調する場合には、ヒータ１１に通電し、ヒータ１１の熱によって恒温恒湿槽２内を昇温する。

また恒温恒湿槽２内を常温近傍から５°Ｃ程度までの中程度の低温に維持する場合には、水冷媒用熱交換器１２を使用する。即ち循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５を開くと共に、循環ポンプ３０を起動し、水冷媒用熱交換器１２に水を主体とする冷媒を循環させる。なおこのとき、空気供給用電磁弁３２、給水用電磁弁３３及び排水用電磁弁３５は閉じておく。
またこのとき、冷凍機（冷凍回路１９）も合わせて起動し、蒸発器４１によって水タンク２０内の冷媒を冷却する。

恒温恒湿槽２内を例えば５°Ｃ以下に冷却する場合（強冷工程）には、冷凍機（冷凍回路１９）を起動し、強冷用熱交換器１３によって熱交換を行う。これに先立って水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４から冷媒たる水を抜く。
即ち図３のフローチャートの様に、設定温度が５°Ｃ以下である場合は、ステップ２に移行して循環配管２４の供給側電磁弁（開閉弁）２６と戻り側電磁弁（開閉弁）２５を閉じる。
そしてステップ３に移行して排水用電磁弁３５を開く。その後、空気供給用電磁弁３２を開く（ステップ４）。その結果、水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４に高圧の空気が充填され、内部の水が空気と置換される。即ち内部の水は全て排水用電磁弁３５から排水される。

ステップ５で一定の時間が経過すると、水冷媒用熱交換器１２内の水はすべて空気と置換されたと推定されるから、ステップ６に移行して排水用電磁弁３５を閉止する。この段階においては、まだ空気供給用電磁弁３２は開いたままの状態であるから、水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４は、高圧状態となる。
そしてステップ７に移行して空気供給用電磁弁３２を閉じるが、循環配管２４は開口部を持たないので、水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４は、高圧状態が維持される。

続くステップ８，９，１０で冷凍機（冷凍回路１９）の圧縮器１５を起動し、強冷用熱交換器１３を使用した強冷工程に入るが、この間、水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４が、高圧状態を維持しているか否かが監視される。即ち前記した様に、循環配管２４に圧力センサー３１が取り付けられており、ステップ８で圧力が一定値以上であるか否かが監視される。「一定の圧力」とは、前記した空気源４５の圧力よりも低く、給水源５０の圧力よりも高い圧力である。

水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４内の圧力が、給水源５０の圧力よりも高い場合は、万一給水用電磁弁３３に漏れがあったとしても給水源５０の水は水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４の圧力に押されて水冷媒用熱交換器１２には入らない。また供給側電磁弁（開閉弁）２６や戻り側電磁弁（開閉弁）２５に漏れがあっても、水は、水冷媒用熱交換器１２及び循環配管２４の圧力に押されて水冷媒用熱交換器１２には入らない。
そのため水冷媒用熱交換器１２内で水が凍結することはない。

圧力センサー３１が一定の圧力以下を検知した場合は、いずれかの電磁弁が漏れた場合であり、水冷媒用熱交換器１２内に水が侵入する懸念があるから、直ちに対策をとるべきである。
本実施形態では、水冷媒用熱交換器１２内の圧力が低下した場合は、ステップ８がＮＯとなり、ステップ１１に移行して警報を発する。警報は、例えばサイレンや光りの点滅等による。
そして圧縮機１５を停止し、試験を停止する。
なお、試験の途中で停止信号が入った場合は、ステップ１０がＹＥＳとなり、圧縮機１５を停止し、試験を停止する。

上記した実施形態では、環境試験装置１の設定温度が、５°Ｃ以下である場合に水冷媒用熱交換器１２内の水を排水することとしたが、冷媒たる水に不凍液を配合している場合には、より低い温度の場合にのみ、水冷媒用熱交換器１２内の水を排水することとしてもよい。この場合には、水冷媒用熱交換器１２内に水がある状態のままで、冷凍機（冷凍回路１９）を駆動する。

また逆に環境試験装置１の設定温度が、５°Ｃ以上である場合に水冷媒用熱交換器１２内等の水を排水してもよい。即ち、上記した実施形態において、設定温度が５°Ｃ以下である場合に水冷媒用熱交換器１２内の水を排水することとしたのは、経験則上、設定温度が５°Ｃ程度となると空気流路５の一部に氷点下の温度となる部位が生じ、設定温度が５°Ｃ程度を越える場合にはいずれの部位も０°Ｃとなるためである。
しかしながら、空調装置３の取り付け位置や、空気流路５内のレイアウト等によっては設定温度が５°Ｃを越える場合でも水冷媒用熱交換器１２の一部や周辺配管が氷点下の温度に晒される場合もある。この様な場合には、設定温度が、５°Ｃ以上である場合に水冷媒用熱交換器１２内等の水を排水しなければならない。

また設定温度を基準として排水を行うのではなく、冷凍回路１９を起動させる場合に排水を行うこととしたり、強冷用熱交換器１３に冷媒を流す場合に水冷媒用熱交換器１２内等の水を排水する構成としてもよい。さらに強冷用熱交換器１３の表面温度や、空気流路５内の温度を検知し、この温度が所定温度以下となった場合に水冷媒用熱交換器１２内等の水を排水する構成としてもよい。

上記した実施形態では、給水配管２７、空気導入配管２８及び排水用電磁弁３５を循環配管２４に設けたが、これらを水冷媒用熱交換器１２に直接的に取り付けてもよい。

本発明の実施形態の環境試験装置の斜視図である。 図１の環境試験装置に付属する空調装置の作動原理図である。 図１の環境試験装置の動作を示すフローチャートである。

１ 環境試験装置
２ 恒温恒湿槽
３ 空調装置
５ 空気流路
１２ 水冷媒用熱交換器
１３ 強冷用熱交換器
１５ 圧縮器
１６ 凝縮器
１７ 膨張弁
２０ 水タンク
２１ 入側冷媒配管
２２ 出側冷媒配管
２４ 循環配管
２５ 戻り側電磁弁（開閉弁）
２６ 供給側電磁弁（開閉弁）
３１ 圧力センサー
３２ 空気供給用電磁弁
３３ 給水用電磁弁
３５ 排水用電磁弁

Claims (6)

1. 水を主体とする冷媒を循環させる水冷媒用熱交換器と、表面温度が氷点下の温度となる強冷用熱交換器を有する空調装置において、強冷用熱交換器によって熱交換を行う際に、前記水冷媒用熱交換器内の冷媒を気体と置換し、さらに前記水冷媒用熱交換器内の気体を、前記水冷媒用熱交換器内に前記冷媒を供給可能な給水源の圧力以上に維持することを特徴とする空調装置。
2. 前記水冷媒用熱交換器内に連通する入側冷媒配管と出側冷媒配管を備え、前記入側冷媒配管及び出側冷媒配管には開閉弁が設けられ、さらに前記水冷媒用熱交換器内に連通し、前記水冷媒用熱交換器内に気体を導入する気体導入配管を備え、前記冷媒を気体に置換する場合には、気体導入配管を介して気体を導入することを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記冷媒を気体に置換する場合には、水冷媒用熱交換器に加えて、水冷媒用熱交換器と連通する配管の一部又は全部についても内部の冷媒を気体と置換し、さらに前記配管内の気体を前記給水源の圧力以上に維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置。
4. 圧力監視手段を有し、当該圧力監視手段によって水冷媒用熱交換器内の気体の圧力を監視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空調装置。
5. 水冷媒用熱交換器内の気体の圧力が低下した時にその事実を知らせる報知手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の空調装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の空調装置が搭載された環境試験装置。

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