JP5266455B2

JP5266455B2 - 温度調整装置

Info

Publication number: JP5266455B2
Application number: JP2008167931A
Authority: JP
Inventors: 真司横山; 康一江尻; 浩一太田
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP2010007957A

Description

本発明は温度調整装置に関し、更に詳細には加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に調整する温度調整装置に関する。

通常、半導体装置の製造工程等の精密加工分野では、その殆どが温度及び湿度が制御されたクリーンルーム内に設置されている。
しかし、近年、精密加工分野でも、従来よりも更に加工精度の高い精密加工等が要求される工程が出現しつつある。
かかる高い精密加工等が要求される工程では、通常、クリーンルームの温度変化よりも更に小さな温度変化の環境であることが要求される。このため、高い精密加工等が要求される工程は、精密な温度管理がなされている空間ユニット内に設けられる。
この様な空間ユニットの温度調整に用いられる温度調整装置としては、例えば下記特許文献１に図１０に示す温度調整装置が記載されている。
図１０に示す温度調整装置には、圧縮機１００、三方弁１０２、凝縮器１０４及び膨張弁１０６及び冷却器１０８から成る冷却回路と、圧縮機１００、三方弁１０２、加熱器１１０及び膨張弁１０６から成る加熱回路とが設けられている。
冷却器１０８と加熱器１１０とによって、ファン１１２により送風される温度調整対象の空気流の温度が調整される。

かかる温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体を三方弁１０２によって、冷却回路と加熱回路とに分配する。冷却回路側に分配された高温の熱媒体は、凝縮器１０４で冷却・凝縮される。この冷却・凝縮された熱媒体は、膨張弁１０６によって断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給される。冷却器１０８では、ファン１１２により送風される温度調整対象の空気流を冷却しつつ吸熱して昇温された熱媒体は圧縮機１００に供給される。
一方、加熱回路側に分配された高温の熱媒体は加熱器１１０に供給され、冷却器１０８で冷却された温度調整対象の空気流を加熱して所望の温度に調整する。この様に、加熱器１１０において、冷却器１０８で冷却された温度調整対象の空気流を加熱しつつ放熱して降温された熱媒体は、膨張弁１０６及び冷却器１０８を通過して圧縮機１００に供給される。
特開昭５１−９７０４８号公報

図１０に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温熱媒体の全量が膨張弁１０６を通過して断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給されるため、ファン１１２により送風される温度調整対象の空気流を冷却する冷却エネルギー量は一定である。
一方、三方弁１０２によって加熱回路側に分配する高温熱媒体量を調整することによって、冷却器１０８で冷却された温度調整対象の空気流に対する加熱器１１０での加熱量を調整できる。
従って、図１０に示す温度調整装置は、比較的小型であるため、予め温度調整が成されているクリーンルーム等の比較的狭い場所で、冷却器１０８及び加熱器１１０を通過する温度調整対象の空気流の温度を調整でき、精密な温度管理がなされている空間ユニット内の温度管理を狭い温度範囲で行うことは可能である。
しかし、図１０に示す温度調整装置では、圧縮機１００で圧縮された高温の熱媒体の全量が膨張弁１０６を通過して断熱的に膨張されて冷却され、冷却器１０８に供給されるため、ファン１１２により送風される温度調整対象の空気流に対する温度調整は、専ら加熱器１１０に供給する圧縮機１００で圧縮された高温熱媒体の再加熱によって行われる。

従って、図１０に示す温度調整装置で採用された温度制御方式では、加熱に使用した熱媒体も冷却回路に流すため、加熱できる熱量は圧縮機の動力の熱量のみとなり、冷却器１０８及び加熱器１１０に対する負荷変動への対応が困難となっている。
このため、冷却器１０８及び加熱器１１０を通過する温度調整対象の空気流の設定温度を大幅に高くする場合、温度調整対象の空気流の温度が設定温度に到達しなかったり、設定温度に到達するまでに著しく時間がかかることがある。
この様な、図１０に示す温度調整装置の加熱量不足を補うべく、図１１に示す様に、補助電気ヒータ１１４を設けることが考えられるが、エネルギー的に無駄である。
そこで、本発明では、温度調整対象の流体に対する加熱能力が不足し、補助電気ヒータ等の補助加熱手段を設けることを必要とする従来の温度調整装置の課題を解決し、温度調整対象の流体に対する加熱能力を向上できると共に、省エネルギーを図ることができる小型化可能の温度調整装置を提供することにある。

本発明者等は、前記課題を解決すべく、図１２に示す温度調整装置を試みた。図１２に示す温度調整装置は、圧縮機１８で圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体の一部が加熱器１４に供給される加熱回路と、高温の第１熱媒体の残余部が凝縮器２６で冷却されてから第１膨張弁２８で断熱的に膨張して更に冷却されて冷却器１６に供給される冷却回路とが設けられ、加熱器１４と冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気を所定温度に調整するように、高温の第１熱媒体が加熱回路と冷却回路とに分配され、且つ加熱回路と冷却回路との各々を通過した第１熱媒体がアキュームレータ３６で合流して圧縮機１８に再供給される温度調整装置である。
かかる温度調整装置には、圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体の一部を加熱回路側に分配すると共に、高温の第１熱媒体の残余部を冷却回路側に分配し、且つ加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を変更可能な分配手段としての比例三方弁２０と、加熱回路の加熱能力が向上するように、加熱器１４で熱を放出して冷却されてから第２膨張弁３４で断熱的に膨張されて更に冷却された第１熱媒体が、外部熱原としての第２熱媒体である水から吸熱する吸熱器３２を具備するヒートポンプ手段と、比例三方弁２０を制御し、加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を調整して、加熱器１４と冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気を所定温度に制御する制御部２２とが具備されている。

図１２に示す温度調整装置によれば、加熱回路側に設けたヒートポンプ手段によって、加熱器１４の加熱能力を向上でき、図１１に示す温度調整装置の如く、補助電気ヒータ１１４を設けることを要しないため、エネルギー的に極めて有利である。
更に、比例三方弁２０によって、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を変更して、加熱器１４と冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気に対する加熱量と冷却量とを容易に調整でき、温度調整対象の空気を精密に温度調整できる。
しかしながら、図１２に示す温度調整装置では、吸熱器２６と凝縮器２６として、別体の熱交換器を用いているため、熱交換器の各々に第１熱媒体の給排配管と水の給排配管との接続を行うことを要し、配管が複雑化して、吸熱器２６と凝縮器２６として、別体の熱交換器を用いていることと相俟って、装置が大型化することが判明した。
このため、本発明者等は、更に検討を重ね、吸熱器２６に用いる吸熱用熱交換配管と凝縮器２６に用いる凝縮用熱交換器配管とを同一の容器内に収容した熱交換器を用いることによって、配管を簡易化でき装置の小型化を図れることを知り、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、圧縮機で圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体の一部が加熱手段に供給される加熱回路と、前記高温の第１熱媒体の残余部が凝縮器で冷却されてから第１膨張手段で断熱的に膨張して更に冷却されて冷却手段に供給される冷却回路とが設けられ、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に調整するように、前記高温の第１熱媒体が加熱回路と冷却回路とに分配され、且つ前記加熱回路と冷却回路との各々を通過した第１熱媒体が合流して圧縮機に再供給される温度調整装置であって、前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体の一部を前記加熱回路側に分配すると共に、前記高温の第１熱媒体の残余部を冷却回路側に分配し、且つ前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を変更可能な分配手段と、前記加熱回路の加熱能力が向上するように、前記加熱手段で熱を放出して冷却されてから第２膨張手段で断熱的に膨張されて更に冷却された第１熱媒体が、外部熱原としての第２熱媒体から吸熱する吸熱器を具備するヒートポンプ手段と、前記分配手段を制御し、前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を調整して、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に制御する制御部とを具備し、温度調整対象の流体が液体であって、高温の第１熱媒体が供給されて前記液体を加熱する加熱手段としての加熱用熱交換配管と、前記第１膨張手段を通過して冷却された第１熱媒体が供給されて前記液体を冷却する冷却手段としての冷却用熱交換配管とが同一容器内に収容された第１の熱交換器が用いられ、前記容器に温度調整対象の液体を供給する供給配管と前記容器から温度調整された液体を排出する排出配管とが設けられ、前記凝縮器と吸熱器として、前記冷却回路側に分配された高温の第１熱媒体が供給される凝縮用熱交換配管と前記第２膨張手段を通過して冷却された第１熱媒体が供給される吸熱用熱交換配管とが同一容器内に収容された第２の熱交換器が用いられ、前記凝縮用熱交換配管に供給された高温の第１熱媒体が冷却されて凝縮されると共に、前記吸熱用熱交換配管に供給された第１熱媒体が吸熱して加温されるように、前記容器内に第２熱媒体としての水を供給する水供給配管が設けられ、前記第１の熱交換器を構成する容器及び前記第２の熱交換器を構成する容器は、それぞれ筒状であり、前記第２の熱交換器は、筒状の容器の上部側に前記吸熱用熱交換配管が収容され、筒状の容器の下部側に凝縮用熱交換配管が収容され、前記水供給配管が筒状の容器の底部に接続され、筒状の容器内の水を排出する水排出配管が筒状の容器の上部側に接続されていることを特徴とする温度調整装置にある。

本発明に係る温度調整装置では、加熱回路側に設けたヒートポンプ手段によって、加熱手段の加熱能力を向上でき、補助電気ヒータを設けることを要しないため、エネルギー的に極めて有利である。
更に、分配手段によって、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を変更して、加熱器手段と冷却器手段とを通過する温度調整対象の流体に対する加熱量と冷却量とを容易に調整でき、温度調整対象の流体を精密に温度調整できる。
また、凝縮器と吸熱器として、凝縮用熱交換配管と吸熱用熱交換配管とを同一容器内に収容した熱交換器を用いるため、第２熱媒体としての水の給排配管を熱交換器の容器に接続することで足りる。
その結果、本発明に係る温度調整装置では、凝縮器と吸熱器とを個別に設け、この凝縮器と吸熱器との各々に水の給排配管を接続した温度調整装置に比較して、配管を簡易化できることと相俟って、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。

本発明に係る温度調整装置の一例を図１に示す。図１には、温度調整が成されたクリーンルーム内に設置された空間ユニット１０内に、ファン１２によって吸込んだ流体としてのクリーンルーム内の温度及び湿度が調整された空気を更に精密に温度調整する加熱回路と冷却回路とが設けられている。
かかる加熱回路を構成する加熱手段としての加熱器１４と冷却回路を構成する冷却手段としての冷却器１６とが設けられ、空間ユニット１０内にファン１２によって吸引されたクリーンルーム内の空気を冷却した後、加熱して精密に温度調整する。この冷却器１６と加熱器１４との空気流に対する配置によれば、加熱器１４及び冷却器１６を通過する空気流の除湿を更に向上できる。
かかる加熱器１４及び冷却器１６には、第１熱媒体として、例えばプロパン、イソブタンやシクロペンタン等の炭化水素、フロン類、アンモニア、炭酸ガスが供給され、第１熱媒体の気化・液化によってクリーンルーム内の空気を加熱・冷却して所定の温度に調整する。
この様な第１熱媒体は、圧縮機１８によって圧縮・加熱されて高温（例えば７０℃）の気体状となって吐出される。圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体を、分配手段としての比例三方弁２０によって、加熱器１４が設けられた加熱回路側と冷却器１６が設けられた冷却回路側とに分配する。
この比例三方弁２０では、加熱回路側に分配する高温の第１熱媒体と冷却回路側に分配する高温の第１熱媒体との合計量が圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体量と等しくなるように分配する。
かかる比例三方弁２０は、制御部２２によって制御されている。この制御部２２では、空間ユニット１０内に設けられた温度センサー２４によって測定された温度信号に基づいて、加熱回路側と冷却回路側とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を実質的に連続して変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた流体を所定温度に調整する。
この「実質的に連続して変更」とは、比例三方弁２０をステップ制御で駆動するとき、微視的には比例三方弁２０がステップ的に駆動されているものの、全体的には連続して駆動されている場合を含む意味である。
かかる制御部２２に設定する設定温度は、任意に設定できるようにしてもよい。また、図１に示す温度センサー２４は、ファン１２の吐出側に設置されているが、ファン１２の吸入側に設置してもよく、ファン１２の吐出側及び吸入側に設けてもよい。

加熱回路側に分配された高温の第１熱媒体は、加熱器１４に直接供給され、空間ユニット１０内に、ファン１２によって吸引されて冷却器１６で冷却された空気流を加熱して所定温度に調整する。その際に、高温の第１熱媒体は、加熱器１４で放熱して冷却されて凝縮液を含む第１熱媒体となる。
加熱器１４で放熱した第１熱媒体は、第２膨張手段としての膨張弁３４によって断熱的に膨張され、外部雰囲気温度よりも低温（１０℃程度）に冷却される。冷却された第１熱媒体は、熱交換器４０の吸熱用熱交換配管４４に供給される。
かかる熱交換器４０は、筒状の容器４２内の上部側に、冷却された第１熱媒体が供給されるコイル状の吸熱用熱交換配管４４が収容されていると共に、容器４２内の下部側に、後述する高温の第１熱媒体が供給されるコイル状の凝縮用熱交換配管４６が収容されて成る熱交換器である。
更に、容器４２の底部側には、外部熱原としての第２熱媒体である水を容器４２内に供給する水供給配管３７が接続されており、容器の４２の上部側には、容器４２内の水を排出する水排出配管３９が接続されている。
このため、容器４２の底部側に供給された水は、容器４２の上部側に流れ、容器４２の水供給口側に配設された凝縮用熱交換配管４６で除去した熱を、容器４２の水排出口側に配設された吸熱用熱交換配管４４で利用でき、省エネルギー的には有利である。
従って、凝縮用熱交換配管４６と吸熱用熱交換配管４４と近接して配設することが好ましい。

かかる熱交換器４０の吸熱用熱交換配管４４に供給された、膨張弁３４によって断熱的に膨張されて冷却された第１熱媒体は、容器４２内に供給された水との温度差に基づいて吸熱できる。
一方、冷却回路側に分配された高温の第１熱媒体は、熱交換器４０の凝縮用熱交換配管４６に供給されて水によって冷却されてから第１膨張手段としての膨張弁２８によって断熱的に膨張され、外部雰囲気温度よりも低温に冷却される（例えば、１０℃に冷却）。冷却された第１熱媒体は、冷却器１６に供給され、空間ユニット１０内に吸込まれた空気流を冷却し、その際に、冷却器１６に供給された第１熱媒体は空気流から吸熱して昇温される。
この様に、吸熱器３２と冷却器１６とで吸熱した熱媒体は、合流してアキュームレータ３６を経由して圧縮機１８に供給される。このアキュームレータ３６には、冷却器１６に供給されて空間ユニット１０内に吸込まれた流体から吸熱した熱媒体も供給される。かかるアキュームレータ３６は、蓄圧器用タイプのアキュームレータを用いた。
アキュームレータ３６としては、確実に熱媒体のガス成分のみを圧縮機１８に供給すべく、液体成分を貯めてガス成分のみを圧縮機１８に再供給できるタイプのアキュームレータを用いることができる。
尚、アキュームレータ３６を設置しなくても、吸熱器３２と冷却器１６とを通過した熱媒体を合流して、圧縮機１８に再供給できればよい。

図１に示す温度調整装置では、加熱器１４で放熱した第１熱媒体を、膨張弁３４によって断熱的に膨張して冷却しているが、膨張弁３４での断熱膨張による冷却では、第１熱媒体と外部雰囲気との間での熱の遣り取りはない。このため、断熱的に冷却された第１熱媒体は、熱交換器４０内に外部から供給された水より吸熱できる。
従って、圧縮機１８から吐出される高温の第１熱媒体には、圧縮機１８による圧縮動力エネルギーに、ヒートポンプ手段によって外部から供給された水より吸熱したエネルギーを加えることができる。その結果、補助ヒータ等の他の加熱手段を用いることを要しない。

この様に、図１に示す温度調整装置では、その加熱回路の加熱能力を向上でき、比例三方弁２０によって加熱回路側に分配する高温の第１熱媒体と冷却回路側に分配する高温の第１熱媒体との分配比率を、空間ユニット１０内の温度に応じて実質的に変更できる。
このため、図１に示す温度調整装置では、加熱回路及び冷却回路に高温の第１熱媒体が常時供給されており、加熱回路の加熱器１４と冷却回路の冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気流の微小な負荷変動は、加熱回路と冷却回路とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を比例三方弁２０によって直ちに微小調整することによって迅速に対応でき、応答性を向上できる。
従って、加熱回路の加熱器１４と冷却回路の冷却器１６とを通過する温度調整対象の空気流の温度を設定温度に対して±０．１℃以下の精度で制御でき、図１に示す温度調整装置が設置された空間ユニット１０の温度変化をクリーンルームの温度変化よりも小さくでき、精密加工が要求される工程を設置できる。

また、図１に示す温度調整装置では、凝縮用熱交換配管４６と吸熱用熱交換配管４４とが筒状の容器４２内に収容されている一台の熱交換器４０を用いている。このため、容器４２に水供給配管３７と水排出配管３９とを接続することによって足り、図１２に示す温度調整装置の様に、別個に設けた凝縮器２６と吸熱器３２との各々に水の供給配管と排出配管を接続する場合に比較して、配管本数を少なくできる。更に、図１に示す温度調整装置では、熱交換器４０の一台を設置することで足り、図１２に示す温度調整装置の様に、二台の熱交換器を設置する場合に比較して、配管本数の減少と相俟って、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。
図１に示す熱交換器４０の容器４２は、断面円筒形や流線形等の任意の形状を採用してもよいが、内部に配設される凝縮用熱交換配管４６と吸熱用熱交換配管４４との形状に合せて、水の流れがスムーズに流れる形状とすることが好ましい。この容器４２の材質としては、ステンレスや樹脂等の耐食性や強度等を考慮して適宜選択できる。
また、図１に示す熱交換器４０では、凝縮用熱交換配管４６の上方に冷却用熱交換配管４４を配設しているが、冷却用熱交換配管４４の上方に凝縮用熱交換配管４６を配設して、容器４２内の水に自然対流を発生させてもよい。
尚、図１の熱交換器４０では、凝縮用熱交換配管４６と吸熱用熱交換配管４４とを一の容器４２内に併設しているが、温度調整対象の空気流の温度調整の精度には問題なかった。

図１に示す温度調整装置には、水供給配管３７の途中に、圧縮機１８の吐出圧力を一定に制御する制御手段としての制水弁４８が設けられている。この制水弁４８は、熱交換器４０に供給する水量を制御する。
かかる制水弁４８は、図２に示す様に、水の供給通路４８ａの開口面積を調整する弁体４８ｂが形成された棒状部材４８ｃと、供給通路４８ａが弁体４８ｂによって閉塞される方向に棒状部材４８ｃを付勢する付勢部材としてのバネ４８ｄと、圧縮機１８の吐出圧力によってバネ４８ｄの付勢力に抗して棒状部材４８ｃを押圧し、弁体４８ｂで閉塞した供給通路４８ａを圧縮機１８の吐出圧力に応じて開放する押圧部材としてのベローズ４８ｅとから成る。

この制水弁４８によれば、圧縮機１８の吐出圧がバネ４８ｃの付勢力以上となったとき、ベローズ４８ｅによって弁体４８ｂが供給通路４８ａを開放する方向に移動し、熱交換器４０に供給される水量が増加して、凝縮用熱交換配管４６の冷却能力が向上される。このため、圧縮機１８の吐出圧が低下する。
他方、圧縮機１８の吐出圧がバネ４８ｄの付勢力以下となったとき、弁体４８ｂが供給通路４８ａを閉じる方向に移動し、熱交換器４０に供給される水量が減少して、凝縮用熱交換配管４６の冷却能力が低下する。このため、圧縮機１８の吐出圧が高くなる。
この様に、圧縮機１８の吐出圧を一定に保持することによって、温度調整装置を安定して運転できる。また、熱交換器４０に水が必要以上に供給され、系外に排出されないように調整できる。

ここで、温度調整対象の空気流の調整温度の設定を変更し、高温の第１熱媒体の分配率が加熱回路側に大幅に偏ったとき、圧縮機１８の吐出圧が低下する場合がある。この場合、制水弁４８は閉まる方向となり、熱交換器４０に供給する水量が不足し、吸熱用熱交換配管４４が凍結するおそれがある。
このため、図１に示す温度調整装置では、制水弁４８をバイパスするバイパス配管５３に、制御部２２によって開閉が制御されている制御弁５１が設けられている。この制御弁５１は、高温の第１熱媒体の分配率が加熱回路側に大幅に偏って、圧縮機１８の吐出圧が低下するおそれがあると制御部２２が判断したとき、制御部２２からの信号によって開き、水を容器４２内に導入して吸熱用熱交換配管４４が凍結するおそれを解消できる。

図１に示す温度調整装置では、比例三方弁２０が用いられているが、比例三方弁２０に代えて、図３に示す様に、２個の二方弁としてのゲートバルブ３８ａ，３８ｂを用いることができる。２個のゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々は、制御部２２によって制御されている。かかる制御部２２によって、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々の開度を調整し、圧縮機１８で圧縮・加熱された気体状の高温の第１熱媒体を加熱回路と冷却回路とに分配する分配比率を実質的に連続して調整し、加熱器１４と冷却器１６とを通過する空気流を所定温度に制御する。その際に、加熱器１４側に分配する高温の第１熱媒体の量と冷却器１６側に分配する高温の第１熱媒体の量との合計量が、圧縮機１８から吐出された高温の第１熱媒体の量と等しくなるように、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの開度を調整して連続的に比例分配される。
その際に、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々は、図４示す様に、バルブ開度と流量との関係は直線状でない。このため、制御部２２では、図４に示すゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各々についての流量特性データを保持し、制御部２２からは、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの各流量特性に基づいて各ゲートバルブ３８ａ，３８ｂへの開度信号を発信する。
ここで、「加熱回路と冷却回路とに分配する分配比率を実質的に連続して調整」或いは「分配比率を実質的に連続して調整」するとは、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂをステップ制御によって駆動し、加熱回路と冷却回路との分配比率を調整する際に、ゲートバルブ３８ａ，３８ｂの開度が、微視的にはステップ的に駆動されて調整されているものの、全体として連続して駆動されて調整されている場合を含むことを意味する。

図１に示す温度調整装置では、温度調整対象が空気流であったが、温度調整対象が液体の温度調整装置を図５に示す。図５に示す温度調整装置では、ＵＳＥＲから戻ってきた液体を貯留するタンク６０からポンプ６２によって、温度調整対象の液体を熱交換器５０に供給する。この熱交換器５０の筒状の容器５２内には、加熱回路側に分配された高温の第１熱媒体が供給するコイル状の加熱用熱交換配管５４と、第１膨張手段としての膨張弁２８で断熱的に膨張されて冷却された第１熱媒体が供給されるコイル状の冷却用熱交換配管５６とが収容されている。
かかる容器５２内に供給された温度調整対象の液体は、加熱用熱交換配管５４で加熱されると共に、冷却用熱交換配管５６によって冷却されて温度調整されて、ＵＳＥＲに供給される。
図５に示す温度調整装置では、熱交換器５０の出口配管に温度センサー２４が設けられている。温度センサー２４で測定された液体温度は制御部２２に送信されて、制御部２２は、設定温度との温度差に基づいて比例三方弁２０による高温の第１熱媒体の配分比率を決定する。
尚、図５に示す温度調整装置において、図１に示す温度調整装置と同一構成の構成部材については、図１と同一番号を付して詳細な説明を省略した。

図５に示す温度調整装置では、筒状の容器５２内に加熱用熱交換配管５４と冷却用熱交換配管５６とを併設した熱交換器５０を用いたが、温度調整対象の液体の温度調整の精度には問題なかった。
この様に、筒状の容器５２内に加熱用熱交換配管５４と冷却用熱交換配管５６とを併設した熱交換器５０を用いることによって、個別に冷却器と加熱器とを配設した場合に比較して、配管を簡素化でき、温度調整装置の小型化を図ることができる。
また、図５に示す温度調整装置では、凝縮用熱交換配管４６と吸熱用熱交換配管４４とを容器４２内に併設した熱交換器４０を採用しているため、熱交換器５０の採用と相俟って、温度調整装置の更なる小型化を図ることができる。
尚、図５に示す温度調整装置でも、比例三方弁２０に代えて、図３及び図４に示すゲートバルブ３８ａ，３８ｂを用いることができることは勿論である。

図１に示す温度調整装置では、例えば、温度調整対象の空気が冷却側にある場合、空気温度が安定する所期運転状態では、図６（ａ）に示す様に、冷却器１６を含む冷却側部で冷却した空気を加熱器１４を含む加熱側部で加熱している。図６（ａ）に示す運転状態では、空気を冷却するに要するエネルギーＡに比較して、加熱側部で加熱するエネルギーが大きくなる場合がある。この場合、図６（ｂ）に示す様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを可及的に少なくできれば、省エネルギーを図ることができる。
一方、温度調整対象の空気が加熱側にある場合、空気温度が安定する所期運転状態では、図７（ａ）に示す様に、加熱器１４を含む加熱側部で加熱した空気を冷却器１６を含む冷却側部で冷却している。図６（ａ）に示す運転状態では、空気を加熱するに要するエネルギーＢに比較して、冷却側部で冷却するエネルギーが大きくなる場合がある。この場合、図３（ｂ）に示す様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを削減できれば、省エネルギーを図ることができる。
但し、互いに打ち消し合う熱負荷分をゼロとすべく、加熱器１４と冷却器１６とをＯＮ−ＯＦＦ制御すると、温度調整装置の運転が不安定となり、空間ユニット１０内を所定温度で安定するまで時間が掛かる。このため、温度調整装置を安定運転できる程度には、加熱器１４と冷却器１６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を最小限存在させることが必要である。
尚、この必要最小限の互いに打ち消し合う熱負荷分は、温度調整装置によって多少異なるため、実験的に求めておくことが好ましい。

この様に、冷却側部と加熱側部との重複するエネルギーを削減でるき温度調整装置を図８に示す。図８に示す温度調整装置では、加熱手段としての加熱器１４と冷却手段としての冷却器１６とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を連続的に変更して、加熱器１４と冷却器１６とを通過する温度調整対象の流体である空気を所定温度に調整するように分配手段としての比例三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと、加熱器１４と冷却器１６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を削減できる高温の第１熱媒体の分配比率となるように、圧縮機１８の回転数を制御する回転数制御手段であるインバータ１９を介して圧縮機１８の回転数を変更する第２制御部２２ｂとから成る制御部２２が設けられている。この第２制御部２２ａには、圧縮機１８の回転数を変更する変更量が予め設定されている。
尚、図８に示す温度調整装置において、図１に示す温度調整装置と同一構成の構成部材については、図１と同一番号を付して詳細な説明を省略した。

かかる第２制御部２２ｂは、比例三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと共に制御部２２を構成している。この第１制御部２２ａによる比例三方弁２０の制御と第２制御部２２ｂによる圧縮機１８の回転数の制御とを図９のフローチャートに示す。
図８に示す温度調整装置を試運転したところ、温度調整対象の空気を冷却側で運転する場合は、加熱器１４に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体（図９では、「高温熱媒体」と記載している）の分配率を５〜１５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温熱媒体の分配率を９５〜８５％）とすることが安定運転上から好ましいことが判明した。他方、温度調整対象の空気を加熱側で運転する場合は、加熱器１４側に加えられる熱負荷として、比例三方弁２０による加熱器１４側への高温熱媒体の分配率を９５〜８５％（比例三方弁２０による冷却器１６側への高温熱媒体の分配率を５〜１５％）とすることが安定運転上から好ましいことが判明した。
このため、図９のフローチャートに示す制御では、加熱器１４側に加えられる熱負荷、具体的には比例三方弁２０による加熱器１４側への高温の第１熱媒体の分配率を、温度調整対象の空気を冷却側で運転する場合は、５〜１５％となるように圧縮機１８の回転数を制御し、温度調整対象の空気を加熱側で運転する場合は、９５〜８５％の分配率となるように圧縮機１８の回転数を制御することにした。

図９に示すフローチャートでは、ステップＳ１０で圧縮機１８を起動した後、ステップＳ１２で空間ユニット１０内を所定温度とするように、空間ユニット１０内に設けられた温度センサ２４によって測定された温度信号に基づいて、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を連続的に変更し、空間ユニット１０内に吸込まれた空気を所定温度に調整する。
かかる空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定しているかをステップＳ１４で判断し、空間ユニット１０内の温度が安定していない場合は、ステップＳ１２に戻り、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を連続的に変更する。かかるステップＳ１２及びステップＳ１４は第１制御部２２ａで行う。
ここで、ステップＳ１４において、予め設定時間内（例えば、数分間）で測定した空間ユニット１０内の温度が所定温度にあるとき、空間ユニット１０内の温度が安定していると判断する。
一方、空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定している場合は、ステップＳ１６〜Ｓ２２で加熱器１４側に分配される高温の第１熱媒体の分配比率が所定の範囲内であるか否か判断する。このステップＳ１６〜Ｓ２２は第２制御部２２ｂで行う。
尚、図９に示す平均高温熱媒体分配率とは、加熱器１４側に分配される高温の第１熱媒体の分配比率にはばらつきがあるため、所定時間内の熱媒体分配率の平均をとった値である。

先ず、ステップＳ１６とステップＳ１８とでは、温度調整対象の空気が冷却側にあると仮定したとき、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５〜１５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５〜１５％内にある場合は、加熱器１４と冷却器４４との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分が少なく、且つ温度調整装置の運転が安定する範囲内であるため、ステップＳ１６を通過しステップＳ１８からステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８では、圧縮機１８が運転中か否か判断して、圧縮機１８が運転中であれば、ステップ１４に戻る。
一方、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が５％未満である場合には、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が低過ぎるため、温度調整装置の運転が不安定となり易い。このため、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率を増加すべく、ステップＳ１６からステップＳ２４に移行し、圧縮機１８の回転数を増加する。ステップＳ２４では、第２制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加する増加信号を発信する。圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加することによって、温度調整装置を安定して運転できるからである。
ここで、圧縮機１８の回転数を変化させる変化量は、予め第２制御部２２ｂに設定されている。この変化量は、圧縮機１８の回転数の最小回転数とすることが好ましい。かかる最小回転数は、温度調整装置によって異なり、実験的に求めておくことが好ましいが、圧縮機１８の回転数が２０００〜５０００ｒｐｍのとき、最小変化量を３〜１０%の範囲とすることが好ましい。

また、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が１５％を越えている場合には、ステップＳ１６とステップＳ１８とを通過して、温度調整対象の空気が冷却側にないと判断し、ステップＳ２０とステップＳ２２とに移行する。ステップＳ２０とステップＳ２２とでは、温度調整対象の空気が加熱側にあると仮定したとき、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が９５〜８５％内にあるか否か判断する。
ここで、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が８５〜９５％内にある場合は、加熱器１４と冷却器４４との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分が少なく、且つ温度調整装置の運転が安定する範囲内であるため、ステップＳ２０を通過しステップＳ２２からステップＳ２８に移行する。ステップＳ２８では、圧縮機１８が運転中か否か判断して、圧縮機１８が運転中であれば、ステップ１４に戻る。
一方、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が９５％を超えている場合には、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が高過ぎ、温度調整装置の運転が不安定となり易い。このため、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率を減少すべく、ステップＳ２０からステップＳ２４に移行し、圧縮機１８の回転数を増加する。ステップＳ２４では、制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加する増加信号を発信する。

また、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が８５％未満の場合には、ステップＳ２２において、加熱器１４と冷却器４４との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分が多い状態と判断される。このため、ステップＳ２６に移行し、圧縮機１８の回転数を低下する。ステップＳ２６では、制御部２２ｂからインバータ１８に向けて、インバータ１８に設定されている圧縮機１８の回転数を最小変化量で低下する低下信号を発信する。圧縮機１８の回転数を最小変化量で低下し、加熱器１４と冷却器４４との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を削減するためである。
次いで、ステップＳ２４又はステップＳ２６を通過してステップＳ２８に移行し、圧縮機１８が運転中であれば、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４では、ステップＳ２４又はステップＳ２６において、圧縮機１８の回転数を最小変化量で増加又は低下した状態で、空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定しているかを判断する。空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定している場合には、ステップＳ１６〜Ｓ２６によって、再度、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率が所定範囲内に在るか否か判断する。
一方、ステップＳ１４において、空間ユニット１０内の温度が安定していないと判断した場合は、ステップＳ１２に戻り、比例三方弁２０による加熱器１４側と冷却器１６側とに分配する高温熱媒体の分配比率を連続的に変更する。空間ユニット１０内が所定温度に到達して安定してからステップＳ１６〜Ｓ２６に移行する。
尚、ステップＳ２８において、圧縮機１８が運転状態にない場合には、制御部２２による制御は停止する。

以上、説明してきた図９に示すフローチャートでは、第１制御部２２ａでは、加熱器１４側への平均高温熱媒体分配率に注目して制御しているが、冷却器１６側への平均高温熱媒体分配率に注目して制御してもよい。
図８では、温度調整対象が空気の温度調整装置を例示したが、図５に示す温度調整装置の様に、温度調整対象が液体の温度調整装置にも、加熱手段としての加熱器４４と冷却手段としての冷却器４６とに分配する高温の第１熱媒体の分配比率を連続的に変更して、加熱器４４と冷却器４６とを通過する温度調整対象としての流体である液体を所定温度に調整するように分配手段としての比例三方弁２０を制御する第１制御部２２ａと、加熱器１４と冷却器１６との各々に加えられる熱負荷のうち、互いに打ち消し合う熱負荷分を削減し得る高温の第１熱媒体の分配比率となるように、圧縮機１８の回転数を制御する回転数制御手段としてのインバータ１９を介して圧縮機１８の回転数を変更する第２制御部２２ｂとから成る制御部２２を設けてよいことは勿論のことである。

本発明に係る温度調整装置の一例を説明する概略図である。図１に示す制水弁４８の内部構造を説明する概略断面図である。図１に示す温度調整装置で用いる他の分配手段について説明する概略図である。図３に示すゲートバルブ３８ａ，３８ｂの開度と流量との関係を示すグラフである。本発明に係る温度調整装置の他の例を説明する概略図である。本発明に係る温度調整装置において、温度調整対象の流体が冷却側にある場合の省エネルギーの原理を説明する説明図である。本発明に係る温度調整装置において、温度調整対象の流体が加熱側にある場合の省エネルギーの原理を説明する説明図である。本発明に係る温度調整装置の他の例を説明する概略図である。図８に示す制御部２２の動作を説明するためのフローチャートである。従来の温度調整装置を説明する概略図である。図１０に示す従来の温度調整装置の改良例を説明する概略図である。本発明者等が検討した温度調整装置を説明する概略図である。

符号の説明

１０空間ユニット
１２ファン
１４加熱器
１６冷却器
１８圧縮機
２０比例三方弁
２２制御部
２２ａ第１制御部
２２ｂ第２制御部
２４温度センサー
２８膨張弁（第１膨張手段）
３２吸熱器
３２凝縮器
３４膨張弁（第２膨張手段）
３６アキュームレータ
３７水供給配管
３８ａ，３８ｂゲートバルブ
３９水排出配管
４０熱交換器
４２容器
４４吸熱用熱交換配管
４６凝縮用熱交換配管
４８制水弁
５０熱交換器
５１制御弁
５２容器
５４加熱用熱交換配管
５６冷却用熱交換配管
６０タンク
６２ポンプ

Claims

圧縮機で圧縮されて加熱された高温の第１熱媒体の一部が加熱手段に供給される加熱回路と、前記高温の第１熱媒体の残余部が凝縮器で冷却されてから第１膨張手段で断熱的に膨張して更に冷却されて冷却手段に供給される冷却回路とが設けられ、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に調整するように、前記高温の第１熱媒体が加熱回路と冷却回路とに分配され、且つ前記加熱回路と冷却回路との各々を通過した第１熱媒体が合流して圧縮機に再供給される温度調整装置であって、
前記圧縮機から吐出された高温の第１熱媒体の一部を前記加熱回路側に分配すると共に、前記高温の第１熱媒体の残余部を冷却回路側に分配し、且つ前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を変更可能な分配手段と、
前記加熱回路の加熱能力が向上するように、前記加熱手段で熱を放出して冷却されてから第２膨張手段で断熱的に膨張されて更に冷却された第１熱媒体が、外部熱原としての第２熱媒体から吸熱する吸熱器を具備するヒートポンプ手段と、
前記分配手段を制御し、前記加熱回路と冷却回路とに分配される高温の第１熱媒体の分配比率を調整して、前記加熱手段と冷却手段とを通過する温度調整対象の流体を所定温度に制御する制御部とを具備し、
温度調整対象の流体が液体であって、高温の第１熱媒体が供給されて前記液体を加熱する加熱手段としての加熱用熱交換配管と、前記第１膨張手段を通過して冷却された第１熱媒体が供給されて前記液体を冷却する冷却手段としての冷却用熱交換配管とが同一容器内に収容された第１の熱交換器が用いられ、前記容器に温度調整対象の液体を供給する供給配管と前記容器から温度調整された液体を排出する排出配管とが設けられ、
前記凝縮器と吸熱器として、前記冷却回路側に分配された高温の第１熱媒体が供給される凝縮用熱交換配管と前記第２膨張手段を通過して冷却された第１熱媒体が供給される吸熱用熱交換配管とが同一容器内に収容された第２の熱交換器が用いられ、前記凝縮用熱交換配管に供給された高温の第１熱媒体が冷却されて凝縮されると共に、前記吸熱用熱交換配管に供給された第１熱媒体が吸熱して加温されるように、前記容器内に第２熱媒体としての水を供給する水供給配管が設けられ、
前記第１の熱交換器を構成する容器及び前記第２の熱交換器を構成する容器は、それぞれ筒状であり、
前記第２の熱交換器は、筒状の容器の上部側に前記吸熱用熱交換配管が収容され、筒状の容器の下部側に凝縮用熱交換配管が収容され、前記水供給配管が筒状の容器の底部に接続され、筒状の容器内の水を排出する水排出配管が筒状の容器の上部側に接続されていることを特徴とする温度調整装置。