JP5707621B2

JP5707621B2 - 恒温液循環装置及びその運転方法

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Publication number: JP5707621B2
Application number: JP2013141070A
Authority: JP
Inventors: 進太郎杉山
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: DE102014109331A1; JP2015014417A; TW201525386A; TWI558962B; CN104279782B; US20150007599A1; DE102014109331B4; KR20150005460A; CN104279782A; KR101602741B1; US9625197B2

Description

本発明は、温度調整された恒温液を負荷に供給することによって該負荷を冷却又は加熱する恒温液循環装置及びその運転方法に関するものである。

温度調整された恒温液を負荷に供給することによって該負荷を冷却又は加熱する恒温液循環装置は、例えば特許文献１にその一例が開示されているように、既に公知である。この種の恒温液循環装置は、通常、図３に概略的に示すような構成を有していて、温度調整された恒温液を負荷５０に循環的に供給する恒温液回路５１と、前記恒温液を温度調整する冷凍回路５２とを有している。

前記恒温液回路５１は、前記恒温液を収容するタンク５３と、該タンク５３内の恒温液を負荷５０に供給するポンプ５４と、負荷５０を冷却することによって昇温した恒温液を熱交換器５５において冷媒との熱交換によって冷却し、前記タンク５３に戻す冷却管５６とを有している。

また、前記冷凍回路５２は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機５７と、該圧縮機５７から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にする空冷式のコンデンサ５８と、該コンデンサ５８に冷却風を流すファン５９と、前記コンデンサ５８から送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする膨張弁６０と、該膨張弁６０から送られる低温低圧の液状冷媒を前記熱交換器５５において前記恒温液との熱交換により蒸発させ、低圧のガス状冷媒にして前記圧縮機５７に送る蒸発器６１とを有している。

前記冷凍回路５２の内部は、冷媒圧力が高い高圧側部分と、冷媒圧力が低い低圧側部分とに分かれる。前記高圧側部分は、前記圧縮機５７から前記コンデンサ５８を経て前記膨張弁６０に至るまでの部分であり、一方、前記低圧側部分は、前記膨張弁６０から前記蒸発器６１を経て前記圧縮機５７に至るまでの部分である。

ここで、前記高圧側部分の冷媒圧力は、前記コンデンサ５８内でガス状冷媒が液化するときの温度である凝縮温度に依存し、この凝縮温度が高ければ冷媒圧力は高くなり、凝縮温度が低ければ冷媒圧力は低くなる。

また、前記コンデンサ５８が空冷式の場合、前記高圧側部分の冷媒圧力は、恒温液循環装置の周囲温度（特に外気温度）と、前記ファン５９によりコンデンサ５８に流される冷却風の通風量と、前記圧縮機５７から吐出される冷媒の流量とに依存する。即ち、前記周囲温度が上がれば前記凝縮温度が上がって冷媒圧力も上昇し、周囲温度が下がれば前記凝縮温度が下がって冷媒圧力も低下する。また、前記ファン５９の回転数が増えて冷却風の通風量が増えれば、前記凝縮温度が下がって冷媒圧力は低下し、前記ファン５９の回転数が減って冷却風の通風量が減れば、前記凝縮温度が上がって冷媒圧力は上昇する。更に、前記圧縮機５７から吐出される冷媒の流量が減少すれば、前記凝縮温度が下がって冷媒圧力は低下し、前記圧縮機５７から吐出される冷媒の流量が増加すれば、前記凝縮温度が上がって冷媒圧力も上昇することになる。

前記高圧側部分の冷媒圧力が高くなりすぎた場合、配管や使用部品の耐圧限度を超えて危険な状態になる。このため、従来の恒温液循環装置においては、前記高圧側部分の冷媒圧力が高くなった場合、前記ファン５９の回転数を増やして冷却風の風量を増大させるようにしている。しかし、周囲温度の影響などにより、前記ファン５９の回転数を最大回転数にしても冷媒圧力の上昇が続く場合があり、このような場合には、前記圧縮機５７を停止させて配管や使用部品の破損を防止するようにしている。

しかし、圧縮機５７を停止させると、冷凍回路が機能しなくなるか、または恒温液循環装置全体の運転を停止せざるを得ないため、恒温液の温度調整ができなくなるという問題があった。

特開２００２−２２３３７号公報

本発明の目的は、冷凍回路内の冷媒圧力が高くなった場合でも、圧縮機を停止させることなく冷媒圧力を低下させることができるようにし、それにより、冷凍回路を停止させたりまたは恒温液循環装置全体を停止させたりすることなく、恒温液の温度制御を継続的に行うことができるようにすることにある。

前記目的を達成するため、本発明の恒温液循環装置は、温度調整された恒温液を負荷に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路と、装置全体を制御する制御部とを有し、前記冷凍回路は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にする空冷式のコンデンサと、該コンデンサに冷却風を流すファンと、前記コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする膨張弁と、該膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器と、前記膨張弁の入口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを有し、前記制御部は、前記圧縮機の起動後、前記圧力センサで測定される冷媒圧力が基準圧力域に達していない場合には、前記ファンを起動しないか、もしくは起動して最小回転数に維持し、前記冷媒圧力が前記基準圧力域に達すると、前記ファンの回転数をインバータ制御することにより前記冷媒圧力を制御し、前記圧縮機の回転数が定常運転時の回転数である高回転数に到達すると共に、前記ファンの回転数が最大回転数に到達したあとに、前記冷媒圧力がさらに上昇を続けて上限値を上回る場合には、前記ファンの回転数を最大回転数に維持したまま、前記圧縮機の回転数を前記高回転数から減少させる制御を行うように構成されたことを特徴とする。

また、本発明の恒温液循環装置の運転方法は、温度調整された恒温液を負荷に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路とを有していて、前記冷凍回路が、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にする空冷式のコンデンサと、該コンデンサに冷却風を流すファンと、前記コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする膨張弁と、該膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器と、前記膨張弁の入口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを有する恒温液循環装置を運転するための方法であって、前記圧縮機の起動後、前記圧力センサで測定される冷媒圧力が基準圧力域に達していない場合には、前記ファンを起動しないか、もしくは起動して最小回転数に維持し、前記冷媒圧力が前記基準圧力域に達すると、前記ファンの回転数をインバータ制御することにより前記冷媒圧力を制御し、前記圧縮機の回転数が定常運転時の回転数である高回転数に到達すると共に、前記ファンの回転数が最大回転数に到達したあとに、前記冷媒圧力がさらに上昇を続けて上限値を上回る場合には、前記ファンの回転数を最大回転数に維持したまま、前記圧縮機の回転数を前記高回転数から減少させる制御を行うことを特徴とする。

本発明においては、前記冷媒圧力が上限値に達したとき、前記圧縮機の回転数を、前記高回転数から、前記上限値付近で冷媒圧力が一定になる低回転数まで減少させるように制御する。

本発明によれば、冷凍回路における冷媒圧力に応じて圧縮機の回転数と空冷式コンデンサのファンの回転数とをインバータ制御することにより、圧縮機を停止させことなく冷媒圧力を低下させることができ、この結果、冷凍回路の運転を継続し、恒温液の温度制御を継続的に行うことができる。

本発明に係る恒温液循環装置の一実施形態を示す構成図である。図１の恒温液循環装置の動作タイミングチャート図である。従来の恒温液循環装置の構成図である。

図１は本発明に係る恒温液循環装置の一実施形態を示すものである。この恒温液循環装置は、温度調整された恒温液Ｌを負荷４に循環的に供給して該負荷４を冷却又は加熱する恒温液回路１と、前記恒温液Ｌを冷媒との熱交換によって設定された温度に温度調整する冷凍回路２と、装置全体を制御する制御部３とを有している。前記恒温液回路１と冷凍回路２とはケーシング５の中に収容され、該ケーシング５に形成された供給側の接続口６ａと戻り側の接続口６ｂとに前記負荷４が接続されるようになっている。

前記恒温液回路１は、タンク９内に収容された前記恒温液Ｌを、ポンプ１０で熱交換器１１内の温調管１２に送り、この熱交換器１１で前記冷凍回路２の冷媒と熱交換させて設定温度に調整したあと、前記負荷４に供給するように構成されている。このため、前記ポンプ１０の吐出口１０ａと前記温調管１２の入口１２ａとが第１供給管１３により接続され、前記温調管１２の出口１２ｂと前記ケーシング５に形成された供給側の接続口６ａとが第２供給管１４により接続され、前記タンク９と前記戻り側の接続口６ｂとが戻り管１５により接続され、前記供給側の接続口６ａ及び戻り側の接続口６ｂに前記負荷４の入口側配管４ａと出口側配管４ｂとが接続されている。

前記タンク９内には、恒温液Ｌの液位を測定するボールタップ式の液位計１６と、レベルスイッチ１７とが設けられ、また、前記ケーシング５には、オーバーフロー管１８で前記タンク９に連通するオーバーフロー口１８ａと、給液管１９で前記タンク９に連通する自動給液口１９ａと、ドレン管２０で前記タンク９に連通するドレン口２０ａとが設けられている。そして、前記タンク９内の恒温液Ｌの液位が異常上昇した場合に、前記オーバーフロー口１８ａから恒温液がオーバーフローし、前記恒温液Ｌの液位が低下したことを前記液位計１６が検出した場合に、前記自動給液口１９ａに接続された不図示の給液装置からタンク９内に恒温液が供給され、前記レベルスイッチ１７が恒温液Ｌの液位の異常低下を検出した場合に、警報が発せられるように構成されている。

また、前記第２供給管１４には、恒温液供給側の圧力センサ２１と恒温液供給側の第１温度センサ２２とが接続され、前記戻り管１５には恒温液戻り側の第２温度センサ２３が接続され、これらの圧力センサ２１及び温度センサ２２，２３の測定結果に基づいて前記制御部３で装置全体の制御が行われる。
このため、前記液位計１６、レベルスイッチ１７、圧力センサ２１、温度センサ２２，２３は、前記制御部３に電気的に接続されているが、その接続状態の図示は省略されている。

一方、前記冷凍回路２は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機２５と、該圧縮機２５から第１冷媒管２６を通じて送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却し、高圧の液状冷媒にするコンデンサ２７と、該コンデンサ２７から第２冷媒管２８を通じて送られる高圧の液状冷媒を膨張させ、低温低圧の液状冷媒にする第１膨張弁２９と、該第１膨張弁２９から第３冷媒管３０を通じて送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液Ｌとの熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を第４冷媒管３１を通じて前記圧縮機２５に送る蒸発器３２とを、順次直列かつ循環回路状に接続することにより構成されている。図中３３はドライヤである。

前記コンデンサ２７は、電動モータ３４ｂで駆動されるファン３４ａによって冷媒を冷却する空冷式のコンデンサであり、前記ファン３４ａは、前記ケーシング５の上面に形成されたファン収容部５ａ内に配設され、該ファン収容部５ａに冷却風Ａを上方に向けて排出する排気口３５が設けられている。また、前記ケーシング５の側面の前記コンデンサ２７に対面する位置には、外気を冷却風Ａとして吸入する吸入口３６が設けられ、該吸入口３６から吸入された冷却風Ａが、前記コンデンサ２７を通過するとき冷媒を冷却し、そのあと前記排気口３５からケーシング５の外部に排出されるように構成されている。
前記圧縮機２５及びファン３４ａは、前記制御部３に電気的に接続され、該制御部３でインバータ制御されることによって各々の回転数が制御される。

前記第１冷媒管２６と第３冷媒管３０とには、バイパス冷媒管３７の一端と他端とが接続され、該バイパス冷媒管３７に第２膨張弁３８が接続され、該第２膨張弁３８は、前記第１膨張弁２９と共に前記制御部３に電気的に接続され、該制御部３によって開度が制御される。
前記第１膨張弁２９及び第２膨張弁３８は、ステッピングモータによって開度を調整する構成の電子膨張弁であることが望ましい。

前記第１冷媒管２６には、前記圧縮機２５から吐出された冷媒の温度を測定する第１温度センサ４１が接続され、前記第４冷媒管３１には、前記圧縮機２５に吸入される冷媒の温度を測定する第２温度センサ４２が接続され、前記第２冷媒管２８には、前記第１膨張弁２９に送られる冷媒の圧力を測定する第１圧力センサ４３が接続され、前記第４冷媒管３１には、前記圧縮機２５に吸入される冷媒の圧力を測定する第２圧力センサ４４が接続されている。前記温度センサ４１，４２及び圧力センサ４３，４４は、前記制御部３に電気的に接続され、それらの測定結果に基づいて前記制御部３で装置全体の制御が行われるようになっている。

なお、前記冷凍回路２において、前記圧縮機２５の出口２５ａから前記コンデンサ２７を経て前記第１膨張弁２９の入口２９ａに至るまでの部分は、冷媒圧力が高い高圧側部分であり、一方、前記第１膨張弁２９の出口２９ｂから前記蒸発器３２を経て前記圧縮機２５の入口２５ｂに至るまでの部分は、冷媒圧力が低い低圧側部分である。

図２には、前記恒温液循環装置を運転する際の前記圧縮機２５及びファン３４ａの制御の一例に関するタイミングチャートが示されている。この制御例は、発熱する負荷４を恒温液で冷却する場合であり、以下に、このタイミングチャートに従って前記恒温液循環装置の運転方法について説明する。

先ず、時刻ｔ０で、恒温液回路１のポンプ１０が駆動されて負荷４に対する恒温液Ｌの供給が開始されると同時に、もしくは一定時間経過後に、冷凍回路２における前記圧縮機２５の運転が開始され、インバータ制御によって該圧縮機２５の回転数は制御され、定常運転時の回転数である高回転数に向けて次第に上昇していく。
このとき、前記コンデンサ２７のファン３４ａは、前記圧縮機２５が起動されたあともしばらくは起動されないか、または起動されたあと最小回転数の近くで回転される。
また、前記圧縮機２５の起動及び回転数の上昇により、前記冷凍回路２においては、前記第１圧力センサ４３で測定される高圧側部分の冷媒圧力が次第に上昇していく。

そして、前記高圧側部分の冷媒圧力が時刻ｔ１に基準圧力域に達すると、前記ファンの回転数がインバータ制御によって増大される。これにより、前記コンデンサ２７に対する冷却風Ａの風量が増大するため、該コンデンサ２７における冷媒の凝縮温度の上昇は緩やかになり、これに伴って前記冷媒圧力の上昇も同様に緩やかになる。この冷媒圧力は、前記ファン３４ａの回転数（冷却風Ａの風量）や冷却風Ａの温度等によってその上昇度が異なり、場合によっては低下するなど、増減変化する。

このとき前記ファンの回転数は、前記冷媒圧力の上昇度や増減等に応じて、最大回転数以下の範囲内でインバータ制御により増減制御されるが、前記冷媒圧力が前記基準圧力域付近において更に上昇傾向を示すと、それ以上の圧力上昇を抑えて該基準圧力域付近あるいは該基準圧力域以下の冷媒圧力を維持できるように、前記ファンの回転数は次第に上昇する。一方、前記圧縮機２５の回転数は、負荷を冷却する必要がある場合、やがて定常運転時の回転数である前記高回転数に達し、その回転数付近で制御される。

そして、前記冷媒圧力が前記基準圧力域を超えて更に上昇を続けた場合、前記ファン３４ａの回転数は最大回転数にまで上昇する。この状態は、前記ファン３４ａとコンデンサ２７とがフル稼働している状態であり、通常は、この状態で前記冷媒圧力の上昇はより緩やかになるかあるいはその上昇は止まり、恒温液循環装置は安定運転されることになる。

しかし、前記ファン３４ａとコンデンサ２７とがフル稼働しているにも拘わらず、周囲温度の影響等によって前記冷媒圧力の上昇が続き、時刻ｔ２において該冷媒圧力が上限値に達した場合には、前記ファン３４ａの回転数を最大回転数に維持したまま、前記圧縮機２５の回転数が、インバータ制御によって前記高回転数から減少される。これにより、前記圧縮機２５から吐出される冷媒流量が減少するため、前記コンデンサ２７における凝縮温度が下がり、前記高圧側部分における冷媒圧力の上昇は抑えられる。この場合、図２に示すように、前記圧縮機２５の回転数を、冷媒圧力が上限値に維持されるような低回転数まで低下させる制御を行うことにより、該冷媒圧力は上限値付近でほぼ一定になる。
この結果、冷凍回路２により恒温液Ｌを冷却する能力は低下するが、該恒温液Ｌの温度制御は継続して行うことができ、冷凍回路を停止したり、または恒温液循環装置全体の運転を停止する必要がない。

かくして前記恒温液循環装置においては、冷凍回路２における高圧側部分の冷媒圧力に応じて圧縮機２５の回転数と空冷式コンデンサ２７のファン３４ａの回転数とをインバータ制御することにより、前記圧縮機２５を停止させことなく前記冷媒圧力を低下させることが可能になり、この結果、装置全体を停止させることなく恒温液の温度制御を継続的に行うことができる。

前記圧縮機２５及びファン３４ａの回転数の制御と並行して前記第１膨張弁２９及び第２膨張弁３８の開度の制御も行われ、前記蒸発器３２を流れる冷媒の流量や温度等が調整されることにより、前記恒温液Ｌの温度調整が行われる。
なお、冷凍回路２のバイパス冷媒管３７に接続された前記第２膨張弁３８は、圧縮機２５から吐出される高温高圧の冷媒ガスの一部を、第１膨張弁２９と蒸発器３２との間の低温低圧の第４冷媒配管内に供給することにより、該第４冷媒配管内を流れる冷媒の温度を高めて熱交換器１１の冷却能力を調整したり、冷凍回路２の高圧側部分の冷媒圧力を調整するなどの役目を果たすものである。

１恒温液回路
２冷凍回路
３制御部
４負荷
２５圧縮機
２７コンデンサ
２９膨張弁
３２蒸発器
３４ａファン
Ｌ恒温液
Ａ冷却風

Claims

温度調整された恒温液を負荷に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路と、装置全体を制御する制御部とを有し、
前記冷凍回路は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にする空冷式のコンデンサと、該コンデンサに冷却風を流すファンと、前記コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする膨張弁と、該膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器と、前記膨張弁の入口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを有し、
前記制御部は、前記圧縮機の起動後、前記圧力センサで測定される冷媒圧力が基準圧力域に達していない場合には、前記ファンを起動しないか、もしくは起動して最小回転数に維持し、前記冷媒圧力が前記基準圧力域に達すると、前記ファンの回転数をインバータ制御することにより前記冷媒圧力を制御し、前記圧縮機の回転数が定常運転時の回転数である高回転数に到達すると共に、前記ファンの回転数が最大回転数に到達したあとに、前記冷媒圧力がさらに上昇を続けて上限値を上回る場合には、前記ファンの回転数を最大回転数に維持したまま、前記圧縮機の回転数を前記高回転数から減少させる制御を行うように構成された、
ことを特徴とする恒温液循環装置。
前記制御部は、前記冷媒圧力が上限値に達したとき、前記圧縮機の回転数を、前記高回転数から、前記上限値付近で冷媒圧力が一定になる低回転数まで減少させることを特徴とする請求項１に記載の恒温液循環装置。
温度調整された恒温液を負荷に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路とを有していて、前記冷凍回路が、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にする空冷式のコンデンサと、該コンデンサに冷却風を流すファンと、前記コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする膨張弁と、該膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器と、前記膨張弁の入口側の冷媒圧力を測定する圧力センサとを有する恒温液循環装置を運転するための方法であって、
前記圧縮機の起動後、前記圧力センサで測定される冷媒圧力が基準圧力域に達していない場合には、前記ファンを起動しないか、もしくは起動して最小回転数に維持し、前記冷媒圧力が前記基準圧力域に達すると、前記ファンの回転数をインバータ制御することにより前記冷媒圧力を制御し、前記圧縮機の回転数が定常運転時の回転数である高回転数に到達すると共に、前記ファンの回転数が最大回転数に到達したあとに、前記冷媒圧力がさらに上昇を続けて上限値を上回る場合には、前記ファンの回転数を最大回転数に維持したまま、前記圧縮機の回転数を前記高回転数から減少させる制御を行う、
ことを特徴とする恒温液循環装置の運転方法。
前記冷媒圧力が上限値に達したとき、前記圧縮機の回転数を、前記高回転数から、前記上限値付近で冷媒圧力が一定になる低回転数まで減少させることを特徴とする請求項３に記載の恒温液循環装置の運転方法。