JP6373258B2 - 冷却量制御装置、該制御装置を使用した試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、気候及び環境試験装置の冷却量を正確に制御するための熱風弁熱風バイパス冷却量制御装置に関する。上記制御装置を使用した試験装置は、加熱を使用しないか少なく使用して、環境温度に近い温度あるいは高い温度において冷却システムが動作することを維持でき、これにより、加熱のエネルギー消耗を減少し、エネルギー効率を向上し、ヒーターを使用しなくてもよいことまでできる。制御装置は、簡単な構成、且つ低エネルギー消費という特徴を有している。これは、気候及び環境の試験装置の高精度温度制御の重要な手段として使われることができる。さらに、本発明は、同様に、制御装置を使用した試験装置に関する。

気候及び環境試験装置は、恒温タンク及び恒温循環装置、気候及び環境試験チャンバー及び生物人口気候試験チャンバー、低温定温機等を含み、医療衛生、バイオテクノロジー、農林業に関する研究、電気及び電子、計測学的検証、地盤工学、石油化学等の分野における製造、科学研究及び試験室などの面において、幅広く応用できる。

冷却装置は、気候及び環境試験装置に欠かせない重要な装置の一つである。冷却装置及び技術は、通常動作中に低温（環境温度より低い温度）又は放熱が要求される全てのシステムに適用される。正確な温度制御及び気候及び環境試験装置の分野が少量且つ多様なアプリケーションの特徴の要求のために、冷却量及びエネルギー消耗制御は、重要だがこれまで無視されていた。略全ての気候及び環境試験装置のための温度制御は、継続冷却及び追加加熱補償の従来技術を基礎としており、大量のエネルギーの消耗及び浪費となっている。

図１に示すように、従来の冷却装置は、基本的に、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を有する。絞り装置は、冷却装置の欠かすことができない重要な部品として、毛細管、熱膨張弁及び電子膨張弁など多様な形式を有し、簡単なものから自動制御まで、冷却技術の発展的なコースを証明するサインであり、冷却装置の高精度制御上で電子膨張弁の役目は益々重要になっている。

冷却量制御に関して、周波数変換圧縮機の冷却技術、電子膨張弁のスロットル技術及び熱ポンプの現代技術が、家庭及び商業用電気製品に広範囲に用いられている。周波数変換圧縮機の冷却技術、電子膨張弁のスロットル技術は、全体として、冷却量制御のために冷却装置に通常組み込まれている。そのような技術の製品における成功は、特定の周波数変換圧縮機と、複雑な加熱度検証及び計算に関わり、製造の投資のための十分な資金なし又は大量生産の製品を設計することなくして、この技術を一般用途向けの製品及び装置に適用することは難しい。伝統的な抵抗電気加熱と比較して、蒸発器及び凝縮器熱ポンプ技術で過熱は、非常に高いエネルギー効率比を有し、その中に加熱と冷却の切り替えを実現する。しかしながら、冷却量制御は、周波数変換圧縮機及び電子膨張弁の技術に基づく必要がある。

近年、電子膨張弁は、家電製品及び商用冷蔵庫の分野で広範囲に使用されている。特に、それは、絞り装置として用いられ、インバーター・圧縮機冷蔵庫のシステム要求に合致している。その鍵となる機能は、蒸発器の出口における過熱温度を制御する。
電子膨張弁は、通常、凝縮器の出口と、蒸発機の入口との間に設けられる。蒸発器の出口における過熱温度への要求に基づいて、電子膨張弁は、リアルタイムに弁の開口の大きさを分析して判断し、加熱度への制御が最適化され、システム冷却装置の輸出が最適化されるようにする。しかし、正確に制御する際、加熱度の制限を受けたため、冷却輸出制御機能を最適化することができず、システム温度制御が悪くなった。例えば、高精度過熱弁を得るために、蒸発器前後の蒸発温度及び／又は冷却圧力が計測されることが求められていることが多い。そのため、制御回路及びソフトウェアアルゴリズムの複雑度及び信頼度は、システム成功には重要になる。大量生産のエンジニアリング及び製造投資のための工業化及び予算に対しての楽観的な見通しなしに、洗練され且つ信頼性があるシステムのための大きなコストに余裕があることは難しい。ところで、気候及び環境試験装置における適用要求は、下は−９０℃、上は＋３００℃に拡大されている一方、従来の電子膨張弁の適用温度は、環境温度とー４０℃との間に限られ、アプリケーションにおける少量且つ多様性の状況において、高精度温度の気候及び環境試験装置内に電子膨張弁を適用することは難しい。

従来の冷却装置内のパイプラインに補助的な熱風バイパスチャネルが追加され、簡単な通常冷却及び熱風バイパス加熱を実現する。その基本的な動作原理は、高速冷却が要求されるときに、最高冷却量用に熱風バイパスを閉めることである。冷却量も低下の必要性、あるいは加熱要望があったときに、熱風バイパス弁が開き、圧縮機の出口からの高温冷却蒸気が、凝縮器で冷却されることなく蒸発器に直接バイパスされる。その結果、冷却量が抑制され、加熱が可能になる。一定温度が要求される場合に、高温バスバイパス弁は、ある周期で開口及び閉口して冷却量の調整及び一定温度を達成する。それらはよく知られた知識であるが、現在の熱風バイパス技術は以下の不利益がある。

（１）電磁弁の寿命からの制約により、熱風バイパスの操作間隔は、ある程度制限される。その結果、冷却量の制御精度は限られている。

（２）継続した加熱状況で長い間電磁弁を開いたままにすると、圧縮機の排出圧力は徐々に低下する。その結果、冷却装置は、限定的な加熱又は非加熱のみ可能である。実際は、環境温度に近いあるいはそれより高い温度に動作を維持することは困難である。

（３） 電磁弁の機能および動作により、弁動作及び熱風流のノイズを含む好ましくないノイズが存在する。

（４）電磁弁の動作から生じる圧力衝撃のストレスは、追加的な疲労を生じ、電磁弁自体を含む関連する冷却部品及び要素の寿命を短縮する。

本発明は、気候及び環境試験装置内の冷却量システムの制御、温度調整及び省エネルギーに技術的な困難性がある冷却量制御装置と、
上記クレームされた制御装置を使用した気候及び環境試験装置と、
前記気候及び環境試験装置で使用される制御方法とを提供する。

言及された関連する技術困難性の本発明の技術的解決策は、
パイプラインで直列に順番で連接された圧縮機、蒸発器及び凝縮器を有する冷却装置を備える冷却量制御装置であって、冷却装置の圧縮機の出口と凝縮器の入口との間に設けられる圧力調整弁と、冷却装置の凝縮器の出口と蒸発器の入口との間に設けられる絞り装置と、一端が圧縮機の出口と圧力調整弁の前端との間のパイプラインに設けられ、他端が絞り装置の後部と前記蒸発器の入口との間のパイプラインに設けられた熱風弁と、前記熱風弁を制御する熱風弁駆動用制御盤と、前記圧縮機と、前記凝縮器の凝縮ファンと、前記熱風弁駆動用制御盤とを制御するコントローラーとを有する冷却量制御装置である。

前記絞り装置が、熱膨張弁である、上記請求された冷却量制御装置。

前記絞り装置が、毛細管である、上記請求された冷却量制御装置。

前記熱風弁が、電子膨張弁である、上記請求された冷却量制御装置。

前記熱風弁は、連続的に開閉する電動弁あるいは断続的に開閉する電磁弁である上記請求された冷却量制御装置。

前記冷却装置は、パイプラインで直列に連接された圧縮機、蒸発器及び凝縮器が具備される。

前記試験装置は、前記冷却量制御装置、恒温タンク又は恒温槽、温度センサを含み、温度センサ及び冷却量制御装置に置ける蒸発器は皆恒温タンク又は恒温槽に設けられる。また上記温度センサは前記冷却量制御装置のコントローラーに連接されている。

冷却量制御方法は、まず、前記圧力調整弁は、従来の冷却装置の前記圧縮機と前記凝縮器との間に設けられ、次に前記熱風弁の一端が、前記圧縮機の出口と前記圧縮調整弁の前端との間のパイプラインに設けられ、他端が前記絞り装置の後部と前記蒸発器の入口との間のパイプラインに設けられ、熱風弁駆動用制御盤を介して、前記コントローラーに連接し、前記圧力調整弁が安定した排出圧力と熱風温度とを保証し、熱風弁の開閉により排出圧力に影響を与えることを避け、前記絞り装置は、前記冷却装置の凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間に設けられ、前記蒸発温度及び前記過熱度とを自己調整するために用いられ、熱風弁は圧縮機の出口からの高温冷却蒸気を、設定された開口又は頻度により、直接バイパスし、凝縮器中への冷却剤は、圧縮調整弁の操作によって抑制され、システムの冷却輸出をさげ、試験装置の温度は、効率的に加熱あるいは冷却制御することができ、且つ設定された値に高精度に維持される。

前記熱風弁は、連続的に開閉する電動弁あるいは断続的に開閉する電磁弁である。

従来の電気弁又は電磁弁が熱風バイパシング弁として用いられ、従来の膨張弁と組み合わされて冷却装置を構成していることが、本発明の有利な効果である。その結果、−３０℃より低い動作温度下で冷却装置が稼働する場合や、熱風バイパス弁の開口部が必要以上に大きい場合であっても、気候及び環境試験装置で広範囲に要求されている、３００Ｗ〜１５ｋＷあるいはそれより高い冷却量と、−９０〜＋２０℃の間で動作する冷却装置の高精度な温度制御とのための高精度な制御が容易に実現される。本発明の技術は、冷却量及び温度の高精度な制御が要求される気候及び環境試験装置のための冷却装置の最も重要な制御装置の一つになる。従来の温度膨張弁又は毛細管では冷却量がランダム且つ円滑に制御できないという欠点と、商用製品に適用可能な電子膨張弁は過度な冷却量及び低い制御精度のための大きな開口部を持つという特徴があるという欠点とを取り除くことができる。

図１は、従来の冷却装置の構成図を示す。
図２は、本発明で請求された冷却量制御装置を使用した試験装置の構成図を示す。

１. コントローラー
２. 圧縮機
３. 凝縮ファン
４. 圧力調整弁
５. 凝縮器
６. 絞り装置
７. 蒸発器
８. 循環ファン又はポンプ
９. 恒温タンク又は恒温槽
１０. 温度センサ
１１. 電子膨張弁
１２. 冷却パイプライン
１３. 熱風弁駆動用制御盤

本発明の好ましい実施例の詳細な記述

ここで参照番号が構成要素を指し示した図１を参照し、図２に示すように、本発明に係る冷却量制御装置を使用した試験装置は、コントローラー１と、圧縮機２と、凝縮ファン３と、圧力調整弁４と、凝縮器５と、絞り装置６と、蒸発器７と、循環ファン又はポンプ８と、恒温タンク又は恒温槽９と、温度センサ１０と、電子膨張弁１１と、冷却パイプライン１２と、熱風弁駆動用制御盤とを有し、圧縮機２、凝縮器５、絞り装置６及び蒸発器７は、冷却パイプライン１２を介して直列に連接されている。凝縮ファン３は、凝縮器５内で冷却のクーリングのために用いられ、循環ファン又はポンプ８は熱交換の改善や、恒温タンク又は恒温槽９内の熱分散の改善に用いられる。この電子膨張弁１１は、その一端が圧縮機の出口と圧力調整弁の入口との間のパイプラインに連接され、他端が絞り装置の後部と蒸発器との間のパイプラインに連接された状態で、並列に連接される。熱風弁駆動用制御盤１３は、コントローラー１からの電圧又は電流のような駆動信号を受け、電子膨張弁１１の開口及び閉口と、開口度とを直接規制する。その機能と仕様に応じて、コントローラー１は基本的に、圧縮機２と、温度センサ１０と、凝縮ファン３と、循環ファン又はポンプ８と、熱風弁駆動用制御盤１３とに連接されて制御する。温度センサ１０及び蒸発器７は、加熱用の温度制御、冷却及び温度維持が要求される恒温タンク又は恒温槽９内に位置している。

コントローラー１は、圧縮機２、凝縮ファン３、循環ファン又はポンプ８の動作を開始及び停止できる。温度センサ１０を用いることで、コントローラー１は恒温タンク又は恒温槽９内の空気又は液体（熱伝送媒体）の温度を検出できる。コントローラー１の設定温度と比べて、実際の温度が高い場合は電子膨張弁１１の開口を小さくし、一方、実際の温度が低い場合は電子膨張弁１１の開口を大きくする。実際の温度が安定することで、電子膨張弁１１の開口度は一定になる傾向がある。

圧縮機２、凝縮器５、絞り装置６及び蒸発器７は、従来の冷却装置の基本構成要素である。圧縮機２の機能は、蒸発器７からの低圧力／通常温度の冷却剤の蒸気を高圧／高温の冷却剤の蒸気に圧縮する。常用の圧縮機２のモデルは、往復機関、ロータリー、スクロール及びネジがある。凝縮器５の機能は、高圧／高温の冷却剤の蒸気を凝縮ファン３又は他の液体冷媒の放熱冷却により、高圧／常温の液体になる。
凝縮器５は、フィンチューブ、スリーブ、シェルチューブ及び板等のいずれのタイプでもよい。

絞り装置６の機能は、高圧／常温の冷却剤液体を低温低圧の冷却剤液体に変更する。冷却剤は圧力が下がるとき蒸発又は沸騰し、実際に、絞り装置６は、毛細管、熱力膨張弁、電子膨張弁又は他の普通絞り装置を採用してもいい。蒸発器７の機能は、冷却剤液体が蒸発又は気化の場所として、蒸発器７内の周囲の熱を吸収して冷却装置の冷却効果を出し続ける。
最大冷却量を設計する重要な面は、液体冷却剤を、冷却剤液体が蒸発器７パイプライン内に完全に且つ最高過熱５℃の範囲で蒸発し続けることである。
その結果、冷却蒸気が蒸発器７を離れたとき、その温度は、温度制御が要求される恒温タンク又は恒温槽９の動作温度と装置が設置された場所の環境温度の間にする。

圧力調整弁４は、圧縮機２の放熱温度を維持する特別自動制御装置である。圧力調整弁４は従来の冷却装置用の本質的な構成ではないが、特に本発明については特定の構成要素である。
圧力調整弁４は、放出圧力が高まるに従って、より多くの冷却流を許容するように開口する傾向がある。すなわち、圧力が設定値に達すると、圧力調整弁４は開口を開始する。圧力調整弁４の動作は、圧縮機２の放出圧力に依存し、圧力調整弁４の出口又は凝縮器５内の圧力とは関係ない。

この場合、電子膨張弁１１の動作に起因する放出圧力に対しての影響を最小化できる。その結果、安定した放出圧力及び熱風バイパス温度が保証できる。電子膨張弁１１が継続して開口し続けたとしても、一定の放出圧力が安定した熱源を保証し、十分な加熱温度と高精度な温度制御を確かなものにする。
すなわち、圧力調整弁４なしでは、冷却装置は、期待されるエネルギー調整を達成できない。温度制御を要求している恒温タンク又は恒温槽９内で温度が上昇した場合、電子膨張弁１１は閉口して通常冷却となる。温度制御を要求している恒温タンク又は恒温槽９内で温度が下降した場合、電子膨張弁１１は再び開口する。
圧力調整弁４がないと、開口した電子膨張弁１１と処理中の上記加熱により、放出圧力は徐々に低下する。電子膨張弁１１は、加熱のために開口状態が保たれるが、加熱温度は十分に高くなく、加熱エネルギーは限られてしまう。同時に、毛細管などの絞り装置６の通常機能を介して、冷却は依然として可能である。

恒温タンク又は恒温槽９は、気候及び環境試験装置内の冷却装置に関する最も普及している構成要素である。気候及び環境試験装置の温度範囲及び動作条件の要求を満たすために、恒温タンク又は恒温槽９は通常、内部チャンバー又はバスタンク、囲い及び絶縁物質から構成される。簡単な動作及びアクセスために、恒温タンク又は恒温槽９はオープン又はクローズ自在のドア又はカバーも備えている。動作温度が環境温度よりかなり上の場合に、ドア又はカバーも、シーリング・ガスケット又緩衝材と共に保温されていなければならない。

温度センサ１０は、恒温タンク又は恒温槽９内の空気及び液体の温度を検出するために用いられる。温度センサ１０及び循環ファン又はポンプ８は重要であり、検出された温度の真偽にさまざまな影響を与え、その結果、熱風バイパシング用の電子膨張弁１１の動作に影響を与える。

電子膨張弁１１及び熱風弁駆動用制御盤１３は、特に本発明の好適な実施例に特有の構成要素である。電子膨張弁１１は、電圧又は電流の入力によって及び比例して調整される開口、閉口及び開口度を持つ自動装置である。熱風弁駆動用制御盤１３は、コントローラー１からの電圧又は電流のような駆動信号を受け、電子膨張弁１１の開口、閉口及び開口度を直接調整する。熱風弁駆動用制御盤１３の出力は、電子膨張弁１１によって要求される駆動と親和性がなければならない。通常、熱風弁駆動用制御盤１３が、０Ｖの入力電圧又は４ｍＡの電流を受けた場合に、電子膨張弁１１は完全に閉口しなければならない。一方、熱風弁駆動用制御盤１３が、５Ｖの入力電圧又は２０ｍＡの電流を受けた場合に、電子膨張弁１１は完全に開口しなければならない。入力信号が最大値と最小値との間の範囲がある場合に、電子膨張弁１１のための位置又は開口度は、入力レベルに対応する。そのため、検出温度がより高く、コントロール１が出力の弁の開口の信号を低減するとき、電子膨張弁１１の出力電圧又は電流がより小さくなると、電子膨張弁１１の開口度はより小さくなる。その結果、冷却量は増加し、温度が次第に低下する。反対に、検出温度が小さく、コントローラー１の出力電圧又は電流がより大きくなると、コントロール１が出力の弁の開口の信号を増加するとき、電子膨張弁１１の開口度はより大きくなる。その結果、冷却量は低下し、温度が次第に上がる。検出温度が安定したときは、コントローラー１の出力電圧又は電流は変化しない状態を保ち、電子膨張弁１１の開口度は一定に保たれる。電子膨張弁１１の一端は、圧縮機の放出口と圧力調整弁の前端との間のパイプラインに設けられ、そのほかの端は、絞り装置の後部と蒸発器の入口との間のパイプラインに設けられる。熱膨張弁は、蒸発温度の制御と、過熱度の自己調整とに用いられる。設定値に近い温度を用いて、コントローラーは、電子膨張弁１１を制御する信号を送り、圧縮機２の放出口からの高温冷却蒸気を、ある程度の開口度で直接バイパスする。凝縮器への冷却流は圧力調整弁４によって制限され、その結果、冷却装置の冷却量が抑制される。このように、加熱と冷却量とは効果的に制御され、温度は設定値に高精度に維持される。上述した目的のための電子膨張弁１１は、流量比例弁のタイプとなり得る。コスト削減が温度の高精度制御及び冷却量よりも重要な場合は、電磁弁を用いることもできる。

Claims (6)

1. パイプラインで直列に順番で連接された圧縮機、凝縮器及び蒸発器を有する冷却装置を備える冷却量制御装置であって、
   冷却装置の圧縮機の出口と凝縮器の入口との間に設けられ、前記圧縮機の放出圧力を安定させるように、当該放出圧力が設定値に達すると開口を開始し、前記放出圧力が高まるに従ってより多くの冷却流を許容するように開口する圧力調整弁と、
   冷却装置の凝縮器の出口と蒸発器の入口との間に設けられる絞り装置と、
   一端が圧縮機の出口と圧力調整弁の前端との間のパイプラインに設けられ、他端が絞り装置の後部と前記蒸発器の入口との間のパイプラインに設けられた熱風弁と、
   前記蒸発器が位置する恒温槽内の温度に応じて、当該温度が設定値と比べて高い場合に、当該温度が前記設定値と比べて低い場合に比べて開口を小さくするように、前記熱風弁を制御する熱風弁駆動用制御盤と、
   前記圧縮機と、前記凝縮器の凝縮ファンと、前記熱風弁駆動用制御盤とを制御するコントローラーと
   を有することを特徴とする冷却量制御装置。
2. 前記絞り装置は、熱膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷却量制御装置。
3. 前記絞り装置は、毛細管であることを特徴とする請求項１に記載の冷却量制御装置。
4. 前記熱風弁は、電子膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷却量制御装置。
5. 前記熱風弁は、連続的に開閉する電動弁または断続的に開閉する電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷却量制御装置。
6. 請求項１の冷却量制御装置を備える試験装置であって、
   前記試験装置は、前記冷却量制御装置と、恒温タンク又は恒温槽とを備え、
   前記冷却量制御装置は、パイプラインで直列に連接された圧縮機、蒸発器及び凝縮器が具備された冷却装置を備え、
   前記蒸発器は、恒温タンク又は恒温槽の中に設けられ、恒温タンクク又は恒温槽の中に設けられている温度センサは、前記コントローラーに連接されていることを特徴とする試験装置。
   

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