JP6476445B2 - 温度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽などを所定の温度に調整する温度調整装置に関する。

半導体装置、液晶ディスプレイなどの製造工程では、高精度に温度制御された環境が必要となっている。また、種々の電子部品の製造工程においては低温環境においても作動するように環境試験が実施される。
いずれも温度環境を整えるために種々の温度調整装置が用いられている。

従来の温度調整装置として、例えば特許文献１に示す構造のものが挙げられる。
特許文献１の温度調整装置は、室内の空気温度及び湿度を所定温度及び所定湿度に調整するものであって、圧縮機で圧縮された冷媒を、室外の凝縮器と、室内の加熱器に分配し、室外の凝縮器を通過した冷媒を室内の冷却器に導入させ、調整対象空気を加熱器と冷却器を通過させることで温度調整を実行している。

特許文献１記載の温度調整装置は、室内の加熱器を通過して調整対象空気を加熱した後の冷媒を、圧縮機に戻す前に室外の凝縮器を通過した冷媒と混合して室内の冷却器に導入するようにしている。これがいわゆる冷媒レヒート回路である。

なお、特に室内環境を低温に調整するための温度調整装置としては、特許文献２に示す構造のものが挙げられる。
特許文献２の温度調整装置は、冷凍サイクルにおいて、圧縮機の中間圧力部（インジェクション口）に冷媒を液インジェクションすることにより、圧縮機の過熱防止を図るようにしている。

特開２０１１−１３３１７０号公報 特開平５−３４０６１５号公報

上述した特許文献１のような冷媒レヒート回路を採用した従来の温度調整装置において、低温域で主に使用する場合には、圧縮機の過熱を防止するために、特許文献２に示すようなインジェクション回路を採用することは効果的である。
しかし、温度調整装置を主に低温域で運転し続けると各熱交換器が着霜するので、各熱交換器のデフロストを実行する必要がある。デフロストは、加熱器側への冷媒流量を増やし、温度調整装置内の室内を高温にした状態で連続運転することによって行われる。

従来の温度調整装置において、高温の連続運転を実行した場合、加熱器側に流れる冷媒量が多いため、冷却器側に流れる冷媒量が少なくなる。このため、液インジェクションによる圧縮機のインジェクション口へ導入する冷媒量も減少してしまい、圧縮機の過熱運転の回避ができなくなる。そして、高温の連続運転を行って過熱運転がなされることで、圧縮機の性能の低下及び圧縮機の寿命が短くなってしまうという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、圧縮機の過熱運転を防止でき、圧縮機の性能低下を防止するとともに寿命を長くすることができる温度調整装置を提供することにある。

本発明にかかる温度調整装置によれば、調整対象空気の温度を通常運転時には０℃以下の状態となるように調整する温度調整装置であって、中間圧力部にインジェクション口が設けられた圧縮機と、圧縮機で圧縮されて送り出される冷媒が分配され、分配された一方の冷媒が、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、第１膨張弁、冷却器、圧縮機の順に循環される冷却回路と、分配された他方の冷媒が、加熱器、第２膨張弁の順に通過した後、前記冷却回路の冷却器の上流側において前記冷却回路に合流するように設けられた加熱回路と、前記冷却回路において前記凝縮器を通過した冷媒を前記圧縮機のインジェクション口に液インジェクションするために、前記冷却回路の凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部と前記圧縮機のインジェクション口との間を接続した第１インジェクション回路と、前記加熱回路において前記加熱器を通過した冷媒を前記圧縮機のインジェクション口に液インジェクションして、高温で連続運転するデフロスト時に前記圧縮機の過熱運転を防止するために、前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記第１インジェクション回路との間、又は前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記冷却回路の前記凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部との間を接続した第２インジェクション回路とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、高温で連続運転する場合には、高温回路側に多くの冷媒が流通し、低温回路を流通する冷媒量が減少してしまうが、第２インジェクション回路によって、必要な量の冷媒を圧縮機のインジェクション口に液インジェクションできる。このため圧縮機の過熱運転を防ぐことができる。

また、前記第２インジェクション回路には、前記冷却回路から前記加熱回路に冷媒が流入することを防止する逆止弁が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、第２インジェクション回路における冷媒の逆流を防止できる。

また、前記加熱器と前記第２膨張弁との間には、逆流防止用の逆止弁が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、装置の立ち下げ時に、加熱器に冷媒が逆流することを防止できる。

本発明にかかる温度調整装置によれば、調整対象空気の温度を通常運転時には０℃以下の状態となるように調整する温度調整装置であって、圧縮機と、圧縮機で圧縮されて送り出される冷媒が分配され、分配された一方の冷媒が、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、第１膨張弁、冷却器、圧縮機の順に循環される冷却回路と、分配された他方の冷媒が、加熱器、第２膨張弁の順に通過した後、前記冷却回路の冷却器の上流側において前記冷却回路に合流するように設けられた加熱回路と、前記冷却回路において前記凝縮器を通過した冷媒を前記圧縮機の上流側にバイパスするために、前記冷却回路の凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部と前記圧縮機の上流側との間を接続した第１バイパス回路と、前記加熱回路において前記加熱器を通過した冷媒を前記圧縮機の上流側にバイパスして、高温で連続運転するデフロスト時に前記圧縮機の過熱運転を防止するために、前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記第１バイパス回路との間を接続した第２バイパス回路とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、高温で連続運転する場合には、高温回路側に多くの冷媒が流通し、低温回路を流通する冷媒量が減少してしまうが、第２バイパス回路によって、必要な量の冷媒を圧縮機の上流側にバイパスできる。このため圧縮機の過熱運転を防ぐことができる。

また、前記第２バイパス回路には、前記冷却回路から前記加熱回路に冷媒が流入することを防止する逆止弁が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、第２バイパス回路における冷媒の逆流を防止できる。

また、前記加熱器と前記第２バイパス回路との間には、逆流防止用の逆止弁が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、装置の立ち下げ時に、加熱器に冷媒が逆流するおそれがあるが、これを防止できる。

本発明の温度調整装置では、圧縮機の過熱運転を防止することができ、圧縮機の性能低下を防止し、且つ圧縮機の寿命を延ばすことができる。

本発明に係る温度調整装置の実施形態を説明する概略図である。 図１の配管構成をわかりやすくした説明図である。 温度調整装置の第２の実施形態を説明する説明図である。 温度調整装置の第３の実施形態を説明する説明図である。 温度調整装置の第４の実施形態を説明する説明図である。

（第１の実施形態）
本発明に係る温度調整装置によって構成された低温槽の概略構成を図１に示す。図２は、構成要素の配置位置などについて、配管がわかりやすいように簡略化して図示したものである。
以下、図１及び図２に基づいて、本実施形態の温度調整装置について説明する。なお、本実施形態の温度調整装置は、低温環境試験等を実施するために用いられる低温槽を構成している。そこで、以下の説明では、本実施形態の温度調整装置を、低温槽と称して説明する。

低温槽３０は、電子部品や電子機器などの低温試験に用いられるものであって、冷媒レヒート回路を採用し、電気ヒータを採用しないヒータレス低温槽である。
低温槽３０は、槽３１内を所定の低温域に調整し、この温度を維持することができる。具体的には、低温槽３０は、−４０℃〜３０℃の範囲で温度調整が可能となっている。ただし、低温槽３０が３０℃まで温度上昇させるのは、デフロストのときだけであって、通常運転時は槽内温度が０℃以下の状態となるように調整している。

低温槽３０は、電子部品や電子機器などが収納され、所定温度に維持できる槽３１を備えている。
槽３１内には、槽３１内の空気を冷却する際に用いられる蒸発器３２（特許請求の範囲でいう冷却器）と、槽３１内の空気を加熱する際に用いられる再熱器３４（特許請求の範囲でいう加熱器）とが配置されている。
また、槽３１内には、蒸発器３２及び再熱器３４によって冷却又は加熱された空気を循環させるためのファン３５が設けられている。

槽３１内のファン３５からの空気流の出口付近には、温度センサ３６が配置されており、槽３１内の温度を検出することができる。温度センサ３６は、制御部３８に接続されており、制御部３８は温度センサ３６で検出した温度に基づいて、後述する制御弁を調整して温度制御を実行する。

本実施形態の低温槽３０は、冷媒を圧縮する圧縮機４０を備えている。本実施形態の圧縮機４０は、中間圧力部にインジェクション口４０ａが設けられ、液インジェクション可能な構成となっている。
圧縮機４０から吐出される冷媒は、加熱回路５０と、冷却回路５２に分岐される。加熱回路５０には、再熱器３４と、再熱器３４から出た冷媒を膨張させて低圧にする第２膨張弁４８が設けられている。冷却回路５２には、凝縮器４４と、蒸発器３２と、蒸発器３２から出た冷媒を膨張させて低圧にする第１膨張弁４６が設けられている。

圧縮機４０から吐出される冷媒は分岐され、分岐先の各管路に設けられた複数の制御弁４２ａ，４２ｂによって加熱回路５０と冷却回路５２に分配される。制御部３８は複数の制御弁４２ａ，４２ｂの開度をそれぞれ調整することによって、加熱回路５０に流れる冷媒量と冷却回路５２に流れる冷媒量（すなわち、加熱回路５０と冷却回路５２に流れる冷媒の分配比率）を調整し、槽３１内の温度を調整することができる。
なお、本明細書中では、加熱回路５０と冷却回路５２に分配される冷媒の分配比率は、複数の制御弁で制御することについて説明しているが、１つの三方弁を用いて冷媒の分配比率を制御してもよい。

圧縮機４０から吐出されたのち、制御弁４２ｂを通過して冷却回路５２に分配された一方の冷媒は、まず凝縮器４４に導入される。凝縮器４４には外部熱媒体である冷却水が導入されている。凝縮器４４に導入された冷媒は、冷却水と熱交換して冷却され高圧液化される。冷却水としては、通常の水道水などを用いることができる。また、凝縮器４４としては、水冷型に限定するものではなく、ファンなどを設けて低温槽３０の外部空気と熱交換する空冷型であってもよい。

凝縮器４４で冷却され液化された冷媒は、その後、第１膨張弁４６を経て蒸発器３２に導入される。
蒸発器３２に導入された冷媒は、槽３１内の空気と熱交換して気化し、その蒸発潜熱により槽３１内の空気を冷却する。蒸発器３２で槽３１内の空気と熱交換した冷媒は加熱されてガス化し、その後圧縮機４０に戻る。

一方、圧縮機４０から吐出されたのち、制御弁４２ａを通過して加熱回路５０に分配された他方の冷媒は、まず再熱器３４に導入される。再熱器３４に導入された冷媒は、槽３１内の空気と熱交換して槽３１内の空気を加熱する。再熱器３４で槽３１内の空気と熱交換した冷媒は冷却され液化される。再熱器３４から出た冷媒は、第２膨張弁４８を経て、冷却回路５２の第１膨張弁４６の下流側において、蒸発器３２に導入される前に、冷却回路５２を流れる冷媒に合流する。

このように、加熱回路５０側の再熱器３４で加熱し、冷媒を圧縮機４０に戻す前に、冷却回路５２の冷媒とともに蒸発器３２に導入して潜熱を利用する回路を冷媒レヒート回路という。冷媒レヒート回路を採用することで、電気ヒータで調整対象空気を加熱しなくてもよく、省エネ効果が高いという利点がある。

本実施形態の圧縮機４０は上述したようにインジェクション口４０ａを有しており、インジェクション口４０ａには冷却回路５２から凝縮器４４で冷却され液化された冷媒を液インジェクションさせるための第１インジェクション回路５４が接続されている。第１インジェクション回路５４は、冷却回路５２における凝縮器４４と第１膨張弁４６との間から分岐し、圧縮機４０のインジェクション口４０ａに接続されている。

第１インジェクション回路５４の中途部には、制御弁５５と、制御弁５５とインジェクション口４０ａとの間に減圧回路５６が設けられている。制御弁５５は、第１インジェクション回路５４から圧縮機４０のインジェクション口４０ａに液インジェクションする冷媒の量を制御することができる。また、インジェクション口４０ａに液インジェクションする前に減圧回路５６が設けられていることで、液インジェクションする冷媒を減圧させている。減圧され膨張し低温となった冷媒（液）を、圧縮機４０のインジェクション口４０ａに液インジェクションすることで、圧縮機４０の過熱運転の防止が図れる。

また、加熱回路５０から分岐して加熱回路５０を流れる冷媒を圧縮機４０のインジェクション口４０ａに液インジェクションさせる第２インジェクション回路５８が設けられている。
第２インジェクション回路５８は、再熱器３４の出口と第２膨張弁４８との中途部から分岐し、第１インジェクション回路５４の制御弁５５の上流側に接続されている。このように、加熱回路５０から圧縮機４０のインジェクション口４０ａに冷媒を液インジェクションすることによって、低温槽３０が高温で連続運転する場合（例えば、デフロスト時）には、加熱回路５０に多くの冷媒が流通しているが、この第２インジェクション回路５８によって、加熱回路５０の冷媒を圧縮機４０のインジェクション口４０ａに液インジェクションできる。このため圧縮機４０の過熱運転を防ぐことができる。

なお、再熱器３４と第２膨張弁４８の間の管路には、逆止弁６０が設けられている。装置の立ち下げ時には、再熱器３４に冷媒が逆流するおそれがあるが、この逆止弁６０を設けることによってこの冷媒の逆流を防止できる。
さらに、第２インジェクション回路５８の中途部にも逆止弁６２が設けられており、冷却回路の高圧圧力側（凝縮器の出口から第１膨張弁）からの冷媒が第２インジェクション回路５８を介して加熱回路５０へ流入することを防止できる。

（第２の実施形態）
図３に、低温槽としての温度調整装置の第２の実施形態の構成を示す。図３は、図２と同様に配置位置などを省略し、配管がわかりやすいように簡略化して図示したものである。
なお、上述した第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。

本実施形態の低温槽３０は、第２インジェクション回路５８の接続位置が、上述した第１の実施形態とは異なっていることが特徴である。
すなわち、本実施形態では、第２インジェクション回路５８は、第１インジェクション回路５４に接続されているのではなく、冷却回路５２の凝縮器４４の下流側であって、第１インジェクション回路５４の接続部よりも上流側に接続されている。
このような実施形態であっても、低温槽３０が高温で連続運転する場合には、加熱回路５０に多くの冷媒が流通しているが、この第２インジェクション回路５８によって、加熱回路５０において再熱器３４を出て第２膨張弁４８に入る前の加熱回路５０の冷媒を冷却回路５２に導入させ、そして冷却回路５２に導入された冷媒は第１インジェクション回路５４を通して圧縮機４０のインジェクション口４０ａに液インジェクションできる。このため圧縮機４０の過熱運転を防ぐことができる。

（第３の実施形態）
次に、低温槽としての温度調整装置において、インジェクション回路ではなく、バイパス回路を採用した実施形態について、図４に基づいて説明する。
なお、上述してきた各実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態ではインジェクション回路を採用していないので、圧縮機４０はインジェクション口が設けられていないものを採用できる。

そして、本実施形態の低温槽３０は、冷却回路５２から圧縮機４０への戻り管（蒸発器３２から圧縮機４０へ冷媒を戻す管路）６８へ、蒸発器３２を経由せずに冷媒をバイパスする第１バイパス回路６４が接続されている。第１バイパス回路６４は、冷却回路５２における凝縮器４４と第１膨張弁４６との間から分岐し、圧縮機４０への流入口側の戻り管６８に接続されている。

また、加熱回路５０から戻り管６８へ、蒸発器３２を経由せずに冷媒をバイパスする第２バイパス回路６６が接続されている。第２バイパス回路６６は、再熱器３４の出口と第２膨張弁４８との中途部から分岐し、第１バイパス回路６４の制御弁５５の上流側に接続されている。
このように、加熱回路５０から圧縮機４０の流入口側に冷媒をバイパスすることによって、低温槽３０が高温で連続運転する場合（例えば、デフロスト時）には、加熱回路５０に多くの冷媒が流通しているが、この冷媒を第２バイパス回路６６を通して第１バイパス回路６４へ導入し、加熱回路５０の冷媒を圧縮機４０の流入口側にバイパスできる。このため圧縮機４０の過熱運転を防ぐことができる。

（第４の実施形態）
次に、バイパス回路を採用した他の実施形態について、図５に基づいて説明する。
なお、上述してきた各実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態もインジェクション回路を採用していないので、圧縮機４０はインジェクション口が設けられていないものを採用できる。

本実施形態の低温槽３０は、第２バイパス回路６６の接続位置が、上述した第３の実施形態とは異なっていることが特徴である。
すなわち、本実施形態では、第２バイパス回路６６は、第１バイパス回路６４に接続されているのではなく、冷却回路５２の凝縮器４４の下流側であって、第１バイパス回路６４の接続部よりも上流側に接続されている。
このような実施形態であっても、低温槽３０が高温で連続運転する場合には、加熱回路５０に多くの冷媒が流通しているが、再熱器３４を出て第２膨張弁４８に入る前の冷媒を第２バイパス回路６６を通して冷却回路５２へ導入させ、そして冷却回路５２に導入した冷媒は第１バイパス回路６４へ流れるので、加熱回路５０の冷媒を圧縮機４０の流入口側にバイパスできる。このため圧縮機４０の過熱運転を防ぐことができる。

なお、上述してきたように冷媒レヒート回路を採用した本発明においては、高温運転時に加熱回路側の冷媒をインジェクション回路又はバイパス回路にて圧縮機に導入する構成を採用している。
この場合、インジェクション回路により圧縮機のインジェクション口に液冷媒を導入する方が、バイパス回路で圧縮機の流入口側に液冷媒を導入する場合よりも圧縮機の熱容量を変化させずに行うことができる。

上述してきた各実施形態では、本発明の温度調整装置の一例として低温槽における実施形態について説明してきた。
しかし、本発明にかかる温度調整装置としては、調整対象空気の温度を所定温度に調整できるものであればよく、低温槽に限定するものではない。

３０ 低温槽（温度調整装置）
３１ 槽
３２ 蒸発器
３４ 再熱器（加熱器）
３５ ファン
３６ 温度センサ
３８ 制御部
４０ 圧縮機
４０ａ インジェクション口
４２ａ，４２ｂ 制御弁
４４ 凝縮器
４６ 膨張弁
４８ 膨張弁
５０ 加熱回路
５２ 冷却回路
５４ 第１インジェクション回路
５５ 制御弁
５６ 減圧回路
５８ 第２インジェクション回路
６０ 逆止弁
６２ 逆止弁
６４ 第1バイパス回路
６６ 第２バイパス回路
６８ 戻り管

Claims (6)

1. 調整対象空気の温度を通常運転時には０℃以下の状態となるように調整する温度調整装置であって、
   中間圧力部にインジェクション口が設けられた圧縮機と、
   圧縮機で圧縮されて送り出される冷媒が分配され、分配された一方の冷媒が、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、第１膨張弁、冷却器、圧縮機の順に循環される冷却回路と、
   分配された他方の冷媒が、加熱器、第２膨張弁の順に通過した後、前記冷却回路の冷却器の上流側において前記冷却回路に合流するように設けられた加熱回路と、
   前記冷却回路において前記凝縮器を通過した冷媒を前記圧縮機のインジェクション口に液インジェクションするために、前記冷却回路の凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部と前記圧縮機のインジェクション口との間を接続した第１インジェクション回路と、
   前記加熱回路において前記加熱器を通過した冷媒を前記圧縮機のインジェクション口に液インジェクションして、高温で連続運転するデフロスト時に前記圧縮機の過熱運転を防止するために、前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記第１インジェクション回路との間、又は前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記冷却回路の前記凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部との間を接続した第２インジェクション回路とを具備することを特徴とする温度調整装置。
2. 前記第２インジェクション回路には、前記冷却回路から前記加熱回路に冷媒が流入することを防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の温度調整装置。
3. 前記加熱器と前記第２膨張弁との間には、逆流防止用の逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の温度調整装置。
4. 調整対象空気の温度を通常運転時には０℃以下の状態となるように調整する温度調整装置であって、
   圧縮機と、
   圧縮機で圧縮されて送り出される冷媒が分配され、分配された一方の冷媒が、外部熱源である外部熱媒体へ熱を放出する凝縮器、第１膨張弁、冷却器、圧縮機の順に循環される冷却回路と、
   分配された他方の冷媒が、加熱器、第２膨張弁の順に通過した後、前記冷却回路の冷却器の上流側において前記冷却回路に合流するように設けられた加熱回路と、
   前記冷却回路において前記凝縮器を通過した冷媒を前記圧縮機の上流側にバイパスするために、前記冷却回路の凝縮器の出口と第１膨張弁との中途部と前記圧縮機の上流側との間を接続した第１バイパス回路と、
   前記加熱回路において前記加熱器を通過した冷媒を前記圧縮機の上流側にバイパスして、高温で連続運転するデフロスト時に前記圧縮機の過熱運転を防止するために、前記加熱回路の加熱器の出口と第２膨張弁との中途部と前記第１バイパス回路との間を接続した第２バイパス回路とを具備することを特徴とする温度調整装置。
5. 前記第２バイパス回路には、前記冷却回路から前記加熱回路に冷媒が流入することを防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項４記載の温度調整装置。
6. 前記加熱器と前記第２膨張弁との間には、逆流防止用の逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の温度調整装置。

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