JP6889119B2 - 環境試験装置、空調装置及び空調方法 - Google Patents

Description

本発明は、試験室内を特定の温度に調節し、被試験物を高温環境や低温環境にさらすことができる環境試験装置に関するものである。
また本発明は、空間内の温度を極低温に低下させる空調装置及び空調方法に関するものである。

製品や部品等の性能や耐久性を調べる試験として、環境試験が知られている。環境試験は、環境試験装置と称される設備を使用して実施される場合がある。環境試験装置は、例えば高温環境や、低温環境、高湿度環境等を試験室内に人工的に作り出すものである。

環境試験装置には、例えば摂氏２００度から摂氏マイナス１８０度という様に試験室内の温度を広範囲に変更できるものがある。
また試験室内に被試験物を入れた状態で、高温環境から極低温環境に変化させたり、極低温環境から高温環境に変化させて試験を行う場合もある。

ところで低温環境を作るには、特許文献１に記載の様に、一般に冷凍サイクルを構成する冷却装置（以下 冷凍サイクル式冷却装置と称する）が使用される。
ここで冷凍サイクル式冷却装置とは、圧縮機、凝縮器、膨張手段及び蒸発器が環状に配管接続され、その内部に相変化する冷媒が内蔵されたものである。
冷凍サイクル式冷却装置においては、圧縮機で気体状の冷媒が圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなる。冷媒ガスは、凝縮器に入り、熱を奪われて液化する。さらに液化した冷媒は、膨張手段を通過して蒸発器内に入り、蒸発器内で気化して気化熱を奪う。その結果、蒸発器の表面温度が低下する。蒸発器内で気化した冷媒は、圧縮機に戻って再度圧縮される。
冷凍サイクル式冷却装置は、内部の冷媒が、圧縮、凝縮、膨張、蒸発を繰り返す冷凍サイクルを構成し、低温を作る装置である。

しかしながら冷凍サイクル式冷却装置は、つくり出す環境が低温になるに従って効率が低下し、マイナス摂氏１８０度という様な極低温環境をつくり出すには不向きである。
そのため、極低温環境を形成させる場合には、液化ガスを利用する冷却装置（以下 液化ガス式冷却装置と称する）が採用される場合がある。
ここで液化ガス式冷却装置とは、液化窒素や液化炭酸ガス等の様に、常温では気体であるが、圧縮されて冷却され、液化したガスを使用する冷却方式である。液化ガス式冷却装置は、試験室内や、熱交換器に液化ガスを供給し、試験室内や熱交換器内でガスを気化させ、その気化熱によって周囲の温度を低下させる。

例えば液化窒素の大気中における沸点はマイナス１９６度であるから、試験室内や熱交換器の温度をマイナス１８０度程度の極低温に至らせることができる。
液化ガス式冷却装置を利用した環境試験装置が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された環境試験装置は、冷凍サイクル式冷却装置を有し、補助冷却装置として液化ガス式冷却装置が利用されている。
特許文献２では、試料を急速に冷却する際に液化ガスが試験槽に供給される。なお特許文献２には、冷凍サイクル式冷却装置による冷却と、液化ガス式冷却装置による冷却を切り換えるという思想は開示されていない。

特開２０１６−１８８７５５公報 特公平６−４００５２号公報

従来技術においては、高温環境や常温環境から極低温環境に温度低下する際には、最初から液化ガス式冷却装置によって冷却が行われる。
従来技術の方策によると、液化窒素等の液化ガスの消費量が多いという問題がある。
また液化ガスによる冷却は、一般に温度降下速度が早く、温度を降下させる速度を制御しにくいという不満もある。

本発明は従来技術の上記した問題点に注目し、試験室等の温度を極低温にまで低下させることが可能であり、且つ液化ガスの消費量の低減が可能であり、さらに温度の降下速度の制御が容易な環境試験装置、空調装置及び空調方法を提供することを課題とするものである。

上記した課題を解決するための発明は、被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていることを特徴の一つとする環境試験装置である。
請求項１に記載の発明は、被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、当該中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴とする環境試験装置である。

本発明の環境試験装置では、冷却開始初期には、冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる。冷却開始初期では、原則的に液化ガス式冷却手段は停止しているので、液化ガスの消費量は少ない。また冷凍サイクル式冷却手段は、温度低下勾配が液化ガス式冷却手段に比べて緩やかであり、且つ冷却速度を制御しやすい。
試験室内の温度が低下して行くと、冷凍サイクル式冷却手段の冷却効率が低下していく。本発明では、温度降下動作の後期では、液化ガス式冷却手段によって冷却が行われる。そのため試験室の温度を円滑に極低温まで低下させることができる。
請求項１に記載の発明は、被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、当該中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴とする環境試験装置である。

請求項１に記載の発明は、前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴の一つとする。

温度降下動作の中間期は、冷凍サイクル式冷却手段の効率が低下する傾向となる。本発明の環境試験装置では、温度降下動作の中間期においては、冷凍サイクル式冷却手段と、液化ガス式冷却手段を併用し、液化ガス式冷却手段によって冷凍サイクル式冷却手段の能力不足を補う。
また液化ガス式冷却手段を起動した直後は、動作が不安定である場合があり、冷凍サイクル式冷却手段と併用することにより、液化ガス式冷却手段の不安定さが補われる。

請求項２に記載の発明は、液化ガス式冷却手段は、試験室に連通する空間及び／又は試験室に連通する空間に置かれた熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給して前記空間又は前記熱交換器内で液化冷却ガスを気化させるものであり、前記空間又は前記熱交換器内に液体状態の液化冷却ガスが安定して供給される状態となった後に、前記中間期冷却工程から前記後期冷却工程に切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置である。

液化ガス式冷却手段は、試験室に連通する空間や熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給し、前記した空間内や熱交換器内で、液化冷却ガスを気化させて気化熱を奪うことによって周囲を冷却するものである。
しかしながら、液化ガス式冷却手段は、起動初期に気体又は気体混じりの液化冷却ガスが熱交換器等に導入される場合がある。
この理由は、液化ガス式冷却手段を停止している間に、配管の途中等で、液化ガスの一部が気化することがあり、起動初期においては、配管の途中等で気化したガスが熱交換器等に導入されてしまうためである。
配管内のガスが排出されてしまえば、その後は液体状態を維持した液化ガスが熱交換器等に導入されるので、液化ガス式冷却手段の動作は安定する。
本発明は、この現象に注目したものであり、空間又は熱交換器内に液体状態の液化冷却ガスが安定して供給される状態となった後に、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り換えられる。
請求項３に記載の発明は、被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、前記液化ガス式冷却手段は、前記試験室に連通する空間に置かれた熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給するものであり、当該熱交換器内で気化したガスは、前記熱交換器から前記試験室に連通する空間内又は外に排出されることを特徴とする環境試験装置である。
請求項４に記載の発明は、被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記初期冷却工程の後であって、前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程と、に分かれていることを特徴とする環境試験装置である。

請求項５に記載の発明は、試験室内の温度を基準として、前記冷却工程が切り換えられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の環境試験装置である。

本発明によると、冷却工程を切り換えるタイミングが明確となり、制御しやすい。

請求項６に記載の発明は、前記温度調整手段は加熱手段を有し、温度降下動作の際に加熱手段を駆動して試験室内の温度降下速度を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の環境試験装置である。

冷凍サイクル式冷却手段は、冷却量を制御することが可能であるけれども、その反応速度は遅い。液化ガス式冷却手段についても冷却量を制御することが可能であるけれども、その反応速度はさらに遅い。
これに対して加熱手段は反応速度が早い。本発明では、温度降下動作の際に加熱手段を補助的に駆動し、試験室内の温度降下速度を調整している。

請求項７に記載の発明は、目標とする温度降下曲線があり、前記試験室内の温度変化が前記温度降下曲線に沿うように、前記温度調整手段が制御されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の環境試験装置である。

本発明によると、目標とする温度降下曲線に沿って、試験室内の温度を変化させることができる。

液化ガス式冷却手段は、試験室に連通する空間に置かれた熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給するものであり、当該熱交換器内で気化したガスは、前記熱交換器から試験室に連通する空間内又は外に排出されることが望ましい。

液化冷却ガスは、熱交換器内で気化するので、液相から気相に相変化し、その際の潜熱（気化熱）が消費される。
しかしながら、気化した直後のガスは低温であり、低温の顕熱（冷熱）を有しており、冷却能力が残っている。
気化したガスを試験室に連通する空間に排出すると、顕熱によって試験室内の温度を低下させることができ、ガスに残存する冷却能力を有効に利用することができる。
しかしその反面、試験室等に外部から気体が追加されることとなり、試験室を含む空間内の圧力が上昇してしまうという場合がある。
一方、気化したガスを外部に排出すると、顕熱を有効利用することはできないが、試験室を含む空間内の圧力が上昇することを抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、空間内の温度を調整する空調装置において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記空間内の温度を高温状態または常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていることを特徴の一つとする空調装置である。
請求項８に記載の発明は、空間内の温度を調整する空調装置において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記空間内の温度を高温状態または常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、当該中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴とする空調装置である。
請求項９に記載の発明は、空間内の温度を調整する空調装置において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、前記空間内の温度を高温状態または常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記初期冷却工程の後であって、前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていることを特徴とする空調装置である。

本発明の空調装置によると、空間内の温度を円滑に極低温まで低下させることができる。

請求項１０に記載の発明は、空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させる空調方法において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を使用し、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分けて、前記空間内の温度を目標温度に至らせることを特徴の一つとする空調方法である。
請求項１０に記載の発明は、空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させる空調方法において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を使用し、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程と、前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間の中間期冷却工程であって、前記冷凍サイクル式冷却手段と前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させる前記中間期冷却工程と、に分けて、前記空間内の温度を目標温度に至らせることを特徴とする空調方法である。
請求項１１に記載の発明は、空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させる空調方法において、冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を使用し、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記初期冷却工程の後であって前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程と、に分けて、前記空間内の温度を目標温度に至らせることを特徴とする空調方法である。

「極低温」とは冷凍サイクル式冷却手段だけで到達させることが困難であったり、到達するのに過大な時間を要したり、経済的に不合理が生じる温度領域である。「極低温」とは、常識的には、マイナス７０度以下やマイナス１００度以下という様な温度領域である。
本発明の空調方法によると、空間内の温度を円滑に極低温まで低下させることができる。

本発明の環境試験装置、空調装置及び空調方法によると、試験室等の温度を極低温にまで低下させることが可能である。また本発明によると、液化ガスの消費量の低減が可能であり、さらに温度の低下速度の制御が容易である。

本発明の実施形態の環境試験装置の概念図である。 本発明の実施形態の環境試験装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態の環境試験装置の概念図である。 本発明のさらに他の実施形態の環境試験装置の概念図である。 本発明のさらに他の実施形態の環境試験装置の概念図である。 本発明のさらに他の実施形態の環境試験装置の概念図である。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の環境試験装置１は、断熱チャンバーたる試験室５内に所望の環境を作ることができる装置である。
環境試験装置１の本体部は、図１に示すように断熱壁２によって覆われた断熱槽３を有している。そして当該断熱槽３の一部に試験室５が形成されている。試験室５は、被試験物を設置する空間である。試験室５には開閉扉３６が設けられている。
試験室５の天面には、開閉ダンパー１３が設けられている。開閉ダンパー１３は、試験室５にヒンジ１７を介して外付けされており、試験室５の圧力が上昇すると、開いて試験室５内の圧力を大気圧に戻す。開閉ダンパー１３は内圧を逃がす逆止弁であり、試験室５側から外側に向かう空気の流れを許容するが、外部から試験室５への空気の流れは阻止される。

環境試験装置１は、さらに空調機器（空調装置）１０と送風機（送風手段）１１を備えている。空調機器１０は、冷凍サイクル式冷却装置６、液化ガス式冷却装置７、及び加熱ヒータ（加熱手段）８によって構成されている。本実施形態では、冷凍サイクル式冷却装置６、液化ガス式冷却装置７、及び加熱ヒータ８が温度調整手段として機能する。

冷凍サイクル式冷却装置６は、気・液間で相変化する冷媒が流れる冷媒循環回路２０を備えている。冷媒循環回路２０は、相変化する冷媒を圧縮して凝縮し、これを蒸発させて冷却する一連の冷凍サイクルを実行するもので、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、蒸発器２５と、それらの機器を環状に接続する冷媒循環配管２６を備えた冷凍機である。
膨張弁２３は電子式の膨張弁であり、開度を調整可能なものである。膨張弁２３は制御装置３０からの信号電圧に応じて開度が変わる。

液化ガス式冷却装置７は、液化ガスボンベ３１と、制御弁３２、ノズル３３及びこれらを接続する配管３５によって構成されている。
本実施形態では、液体窒素が充填された液化ガスボンベ３１が採用されている。制御弁３２は、開度を調整可能なものである。制御弁３２は、制御装置３０からの信号電圧に応じて開度が変わる。
配管３５は、真空断熱配管、或いは断熱施工された配管であり、断熱性が優れている。

加熱ヒータ８は、公知の電気ヒータである。

環境試験装置１には、試験室５と環状に連通する空調通風路１５があり、当該空調通風路１５に前記した空調機器１０と送風機１１が内蔵されている。
詳細には、空調通風路１５に、冷凍サイクル式冷却装置６の蒸発器２５と、液化ガス式冷却装置７のノズル３３と、加熱ヒータ８が配されている。
液化ガス式冷却装置７の液化ガスボンベ３１と制御弁３２は、断熱槽３の外にあり、配管３５によって液化ガスボンベ３１と制御弁３２及びノズル３３が直列的に接続されている。

空調通風路１５は、断熱槽３の一部に形成され、空気吹き出し部１６と空気導入部１８の２箇所で試験室５と連通している。
そのため送風機１１を起動すると、試験室５内の空気が空気導入部１８から空調通風路１５内に導入される。そして空調通風路１５が通風状態となり、空調機器１０に空気が接触して熱交換や温度調整がなされ、空気吹き出し部１６から試験室５内に調整後の空気が吹き出される。
また空調通風路１５の空気吹き出し部１６の近傍に、温度センサー１２が設けられている。
環境試験装置１を使用する際には、送風機１１を運転して空調通風路１５内を通風状態とし、温度センサー１２の検出値が、設定環境の温度に近づく様に空調機器１０の温度調整手段を制御する。

本実施形態では、温度センサー１２の検出値が、制御装置３０に入力されている。また制御装置３０から冷凍サイクル式冷却装置６の膨張弁２３と、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２に制御信号が送信される。同様に、加熱ヒータ８にも制御装置３０から制御信号が送信される。
膨張弁２３、制御弁３２及び加熱ヒータ８は、制御装置３０によってＰ．Ｉ．Ｄ制御される。
この様に、本実施形態では、試験室５内の気温が、設定温度に近づく様に冷凍サイクル式冷却装置６の膨張弁２３と、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２と、加熱ヒータ８が制御される。

本実施形態の環境試験装置１は、熱サイクル試験を行うものであり、試験室５内の温度を高温状態にして一定時間の間それを維持した後、極低温状態に変化させ、被試験物に熱ストレスを与えるものである。
具体的には、試験室５内に摂氏２００度程度の高温環境を作って被試験物を高温環境にさらす。その後、試験室５内の温度を一定の温度降下速度で低下させてマイナス１８０度の極低温に至らせる。その後、再度、試験室５内を高温環境に戻し、この一連の工程を複数回、繰り返す。

本実施形態の環境試験装置１では、試験室５内の温度を高温状態から低下させる際に、特徴的な制御方法が採用されている。
本実施形態の環境試験装置１では、高温環境から極低温環境に至らしめる工程が、大きく３工程に分かれ、それぞれ使用する機器が相違する。本実施形態では、試験室５内の現状の温度を基準として、冷却工程が初期冷却工程、中間期冷却工程及び後期冷却工程の３段階に切り換えられる。
本実施形態の環境試験装置１が採用する空調方法は、冷凍サイクル式冷却手段と液化ガス式冷却手段を使用して、空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させるものであり、冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、冷凍サイクル式冷却手段と液化ガス冷却手段によって温度を低下させる中間期冷却工程と、液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分けて、空間内の温度を目標温度に至らせるものである。
本実施形態では、初期冷却工程から中間期冷却工程に切り替わる第一基準温度を０度としている。また中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替わる第二基準温度をマイナス２０度としている。

本実施形態では、高温または常温から中低温に至る間が、初期冷却工程である。限定するものではないが、本実施形態では、高温状態から摂氏０度に至るまでが初期冷却工程であり、冷凍サイクル式冷却装置６によって温度降下させる。初期冷却工程においては、液化ガス式冷却装置７は使用しない。初期冷却工程では、加熱ヒータ８を使用して温度補正することができる。

また摂氏０度からマイナス２０度に至るまでが中間期冷却工程であり、冷凍サイクル式冷却装置６と液化ガス式冷却装置７を併用して温度降下させる。中間期冷却工程では、加熱ヒータ８を使用して温度補正することができる。
マイナス２０度から設定した低温目標温度（マイナス１８０度）に至るまでが後期冷却工程であり、液化ガス式冷却装置７を使用して温度降下させる。後期冷却工程では、冷凍サイクル式冷却装置６は停止されていて使用しない。後期冷却工程では、加熱ヒータ８を使用して温度補正することができる。

以下、試験室５内の温度を高温状態から低下させる温度降下動作について、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
前記した様に、環境試験装置１は、熱サイクル試験を行うものであり、試験室５内の温度を高温状態にした後、極低温状態に変化させる。
図２のフローチャートに従うと、ステップ１で高温試験が実施されている。高温試験中は、試験室５の設定温度が摂氏２００度の高温である。なお高温試験中は、冷凍サイクル式冷却装置６と液化ガス式冷却装置７は停止している。
そしてステップ２で、高温試験の終了を待つ。ステップ２で高温試験が終了したことが確認されると、ステップ３に移行し、低温試験が開始される。即ち、試験室５の設定温度が、マイナス１８０度に変更される。
なおステップ３から初期冷却工程が開始される。

ステップ４では、冷凍サイクル式冷却装置６が起動される。液化ガス式冷却装置７は停止状態を維持している。
冷凍サイクル式冷却装置６が起動されて圧縮機２１が起動し、冷媒が、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、蒸発器２５の間を循環し、蒸発器２５の表面温度が低下する。
制御装置３０は、所定の温度降下速度で試験室５内の温度が低下する様に、膨張弁２３の開度をＰ．Ｉ．Ｄ制御する。
より早く温度低下させたい場合には、膨張弁２３の開度を開き、遅く温度低下させたい場合には、膨張弁２３の開度を小さくする。
制御装置３０は、常時、温度センサー１２の検出値から試験室５内の温度を監視し、刻々の温度降下勾配を演算している。そして温度降下勾配が予定よりも小さい場合には、膨張弁２３の開度を開いて温度降下勾配を大きくし、温度降下勾配が予定よりも大きい場合には、膨張弁２３の開度を小さくして温度降下勾配を小さくする。この際、加熱ヒータ８を併用して温度調整することができる。
この様にして、試験室５内の温度変化が目標の温度低下曲線に沿うように、温度調整手段が制御される。

前記した様に、制御装置３０は試験室５内の温度を監視し、試験室５内の温度が、第一基準温度たる摂氏０度になるのを待つ。
なお試験室５内の温度が、第一基準温度たる摂氏０度になるまでの間は、冷凍サイクル式冷却装置６のみによって温度降下動作が実行され、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２は閉じられている。
初期冷却工程では、試験室５内の温度は、冷凍サイクル式冷却装置６のみによって次第に低下していく。
ステップ５で試験室５内の温度が第一基準温度に到達したことが確認されると、ステップ６に移行し、温度降下動作を行う際の工程が、冷凍サイクル式冷却装置６のみによって温度低下させる初期冷却工程から、冷凍サイクル式冷却装置６と液化ガス式冷却装置７を併用する中間期冷却工程に切り替わる。

ステップ６では、液化ガス式冷却装置７を起動する。具体的には、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２を開き、液化ガスボンベ３１の液体窒素をノズル３３から断熱槽３内に供給する。
液体窒素は、空調通風路１５内で気化し、気化熱によって周囲の温度を低下させる。
液体窒素が気化することによって、試験室５内の気圧が上昇傾向となるが、その際には開閉ダンパー１３が開いて中の気体を排出し、試験室５内の圧力を大気圧に保つ。

液化ガス式冷却装置７の制御弁３２は、Ｐ．Ｉ．Ｄ．制御され、温度勾配に応じて開度が調整されるが、実際にノズル３３から放出される初期の窒素の重量流量は安定しない。
即ち、液化ガスボンベ３１からノズル３３に至る配管３５は、真空断熱配管、或いは断熱施工された配管であり、断熱性が優れているものの、ある程度の熱は配管３５内に伝わり、配管３５内で窒素が気化している。
また前工程たる初期冷却工程においては、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２が閉じられており、液化ガス式冷却装置７の配管３５内に流体の流れはない。そのため配管３５内で気化した窒素は、配管３５内に止まっており、配管３５内は、気体窒素と液体窒素が入り交じった状態となっている。

そのため制御弁３２を開いた直後は、主に気体状態の窒素がノズル３３から放出され、窒素の重量流量は少ない。
しばらく時間が経過すると、気体と液体が入り交じった状態の窒素がノズル３３から放出される。
さらにしばらく時間が経過すると、気体が全て排出し終わり、液体状態の窒素だけがノズル３３から放出される。その後は、窒素の重量流量が安定する。

中間期冷却工程においても、制御装置３０は、常時、温度センサー１２の検出値から試験室５内の温度を監視し、刻々の温度降下勾配を演算している。そして温度降下勾配が予定よりも小さい場合には、制御弁３２の開度を開いて供給される液体窒素の量を増やして温度降下勾配を大きくし、温度降下勾配が予定よりも大きい場合には、制御弁３２の開度を小さくして液体窒素の量を絞る。
しかしながら、前記した様に、中間期冷却工程においては、実際にノズル３３から放出される窒素の重量流量は安定せず、液化ガス式冷却装置７のみに頼っては、温度降下勾配を制御することが困難である場合もある。

これに対して、本実施形態では、冷凍サイクル式冷却装置６も運転されており、膨張弁２３の開度も制御されているから、液化ガス式冷却装置７の動作が不安定であっても、冷凍サイクル式冷却装置６の動作によってある程度補正される。
さらに、加熱ヒータ８を併用して温度調整することができる。
中間期冷却工程においては、この様にして、試験室５内の温度変化が目標の温度降下曲線に沿うように、温度調整手段が制御される。

試験室５内の温度は、液化ガス式冷却装置７及び冷凍サイクル式冷却装置６によって次第に低下していく。
ただし、冷凍サイクル式冷却装置６の効率は、試験室５の温度が低下するにつれて下がってゆき、遂には試験室５の温度低下に寄与することができない状態となる。
またこの間に、液化ガス式冷却装置７の動作が安定する。

ステップ７で試験室５内の温度が第二基準温度に到達したことが確認されると、ステップ８に移行し、温度降下動作を行う際の工程が、冷凍サイクル式冷却装置６と液化ガス式冷却装置７を併用する中間期冷却工程から、液化ガス式冷却装置７だけによって温度低下させる後期冷却工程に切り替わる。後期冷却工程では、冷凍サイクル式冷却装置６が停止される。
試験室５内の温度は、液化ガス式冷却装置７のみによってさらに低下していく。また加熱ヒータ８を併用して温度調整することができる。
後期冷却工程においては、この様にして、試験室５内の温度変化が目標の温度降下曲線に沿うように、温度調整手段が制御される。

試験室５内の温度がさらに低下し、極低温の目標温度に達すると、ステップ１０に移行し、それ以後は、安定運転が実行される。
安定運転では、液化ガス式冷却装置７の制御弁３２と、加熱ヒータ８が、Ｐ．Ｉ．Ｄ制御され、試験室５内の温度が目標温度に保たれる。
そして一定時間の間、安定運転が継続され、ステップ１１に移行して低温試験が終了する。その後は、ステップ１に戻り、高温試験が再度行われる。

以上説明した実施形態では、試験室５内の温度を基準として、冷却工程を切り替えた。上記した実施形態では、初期冷却工程から中間期冷却工程に切り替わる第一基準温度を０度とし、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替わる第二基準温度をマイナス２０度とした。
冷却工程を切り換える基準温度は、冷凍サイクル式冷却装置６の冷却可能温度を基準として決定することが望ましい。
冷凍サイクル式冷却装置６が、より低い温度まで冷却可能であるならば、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替わる基準温度をマイナス２０度よりも下にすることが望ましい。
逆に、冷凍サイクル式冷却装置６が冷却できる限界温度が高ければ、基準温度をより高い温度に設定することが望ましい。

また上記した実施形態では、温度を基準として冷却工程を切り替えたが、これに代わって、あるいはこれに加えて、液化ガス式冷却装置７の動作が安定したことを条件として中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替えてもよい。

液化ガス式冷却装置７の制御弁３２は、制御装置３０の信号によって開度が調整されるが、液化ガス式冷却装置７の配管３５内に気体が残存している場合は、制御弁３２の開閉動作が頻繁に起こる。これに対して配管３５から気体が抜けると、制御弁３２の動作が緩やかとなる。
そこで、制御弁３２の動作が緩やかになったことを条件として、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替えてもよい。
また試験室５内の温度が一定以下であり、且つ制御弁３２の動作が緩やかになったことを条件として、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替えてもよい。

また液化ガス式冷却装置７の配管３５から気体が抜ける時間を想定し、その時間が経過したことを条件として、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替えてもよい。
冷凍サイクル式冷却装置６の冷却可能温度の近傍で中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替えることとし、初期冷却工程から中間期冷却工程の切り替えは、液化ガス式冷却装置７が安定するのに要する時間や、その間に予想される温度変化を勘案し、中間期冷却工程から後期冷却工程に切り替える時期から逆算して決定してもよい。

以上説明した実施形態では、液化ガス式冷却装置７は、液体窒素をノズル３３から直接的に空調通風路１５に放出するが、図３に示す環境試験装置４０の様に、液体窒素の受け皿４１を設け、当該受け皿４１に液体窒素を溜めてから蒸発させてもよい。
図３に示す環境試験装置４０は、先の実施形態と共通する部材が多いので、共通する部材に、同一の番号を付して、重複した説明を省略する。図４以下の実施形態についても同様である。

また図４に示す環境試験装置４３の様に、空調通風路１５内に熱交換器４５を設置し、熱交換器４５に液体窒素を供給してもよい。熱交換器４５の位置は、試験室５内であってもよい。
本実施形態によると、液体窒素と断熱槽３内の空気との間の実質的な接触面積を大きくすることができ、液化ガス式冷却装置７の冷却能力が向上する。

図４に示す環境試験装置４３では、熱交換器４５内で気化した窒素は、断熱槽３の中に排気される。
そのため窒素の顕熱も有効に利用することができる。

図４に示す環境試験装置４６では、熱交換器４５内で気化した窒素を断熱槽３内に排気したが、熱交換器４５内で気化した窒素を断熱槽３の外に排気するようにしてもよい。
本実施形態によると、窒素の顕熱を有効利用することはできないが、試験室５内の圧力を上昇させにくいと言う利点がある。
なお、本環境試験装置１、４０、４３は、試験室５内の温度が大幅に変化するので、空気の膨張・収縮による容積変化は避けられない。
図５に示す環境試験装置４６では、試験室５内の圧力を検知する圧力センサー５０を設け、さらに熱交換器４５の排気管５１を分岐して、断熱槽３に戻る調圧配管５２が設けられている。調圧配管５２には、開閉弁５５が介在されており、試験室５内の圧力が低下すると、開閉弁５５を開き、窒素の一部を断熱槽３に導入して試験室５内の圧力変化を抑制する。

さらに、試験室５内の圧力変化を抑制する方策として、図６に示す環境試験装置５３の様に、試験室５と連通する袋体部５６を取り付けてもよい。
袋体部５６は、容易に形状を変化することができるものであり、内部に空気が入っている。
試験室５の温度が上昇して内部の空気が膨張したり、導入された窒素によって試験室５内の圧力が上昇傾向となった場合には、試験室５内の空気が袋体部５６の中に入り、試験室５の容積を実質的に大きくして試験室５内の圧力上昇を抑制する。
逆に、試験室５の温度が降下して内部の空気が収縮すると、袋体部５６が縮んで袋体部５６内の空気が試験室５に流れ、試験室５内の圧力降下を抑制する。

以上説明した実施形態では、冷凍サイクル式冷却装置６は、膨張弁２３の開度を調節することによって冷却能力を制御したが、圧縮機２１の回転数をインバータ制御する等によって変更し、冷却能力を制御してもよい。
実施形態で例示した熱サイクル試験では、高温状態と低温状態を繰り返したが。その間に常温状態を挟んでもよい。
また高温試験を省いて常温環境から低温環境に変化させたり、常温環境から極低温に変化させてもよい。さらには低温環境から極低温環境に変化させる試験を行ってもよい。
この様に、高温・低温の熱サイクル試験ではなく、常温・低温や低温・極低温の熱サイクル試験を行うものであってもよい。
実施形態で例示した熱サイクル試験は、最初に高温試験を行ったが、最初に低温試験を実施してもよい。

空調機器（空調装置）１０は、環境試験装置の試験室の温度を円滑に極低温まで低下させることを目的として開発されたものであるが、他の用途に使用してもよい。
空調方法についても同様であり、他の用途に使用してもよい。

１、４０、４３、４６、５３ 環境試験装置
５ 試験室
６ 冷凍サイクル式冷却装置
７ 液化ガス式冷却装置
８ 加熱ヒータ（加熱手段）
１０ 空調機器
１１ 送風機（送風手段）
１３ 開閉ダンパー
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２５ 蒸発器
３０ 制御装置
３１ 液化ガスボンベ
３２ 制御弁
３３ ノズル
３５ 配管
５６ 袋体部

Claims (11)

1. 被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、
   前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、
   前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、
   前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、当該中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴とする環境試験装置。
2. 前記液化ガス式冷却手段は、前記試験室に連通する空間及び／又は前記試験室に連通する空間に置かれた熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給して前記空間又は前記熱交換器内で当該液化冷却ガスを気化させるものであり、
   前記空間又は前記熱交換器内に液体状態の液化冷却ガスが安定して供給される状態となった後に、前記中間期冷却工程から前記後期冷却工程に切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置。
3. 被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、
   前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、
   前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、
   前記液化ガス式冷却手段は、前記試験室に連通する空間に置かれた熱交換器に液体状態の液化冷却ガスを供給するものであり、当該熱交換器内で気化したガスは、前記熱交換器から前記試験室に連通する空間内又は外に排出されることを特徴とする環境試験装置。
4. 被試験物を配置する試験室と、前記試験室内の温度を調整する温度調整手段を有する環境試験装置において、
   前記温度調整手段は冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、
   前記試験室内の温度を高温状態又は常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、
   前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、
   前記初期冷却工程の後であって、前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程と、に分かれていることを特徴とする環境試験装置。
5. 前記試験室内の温度を基準として、前記冷却工程が切り換えられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の環境試験装置。
6. 前記温度調整手段は加熱手段を有し、温度降下動作の際に当該加熱手段を駆動して前記試験室内の温度降下速度を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の環境試験装置。
7. 目標とする温度降下曲線があり、前記試験室内の温度変化が前記温度降下曲線に沿うように、前記温度調整手段が制御されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の環境試験装置。
8. 空間内の温度を調整する空調装置において、
   冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、
   前記空間内の温度を高温状態または常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていて、
   前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間に中間期冷却工程があり、当該中間期冷却工程においては、前記冷凍サイクル式冷却手段と、前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させることを特徴とする空調装置。
9. 空間内の温度を調整する空調装置において、
   冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を有し、
   前記空間内の温度を高温状態または常温状態から低下させる温度降下動作を行う際の工程が、
   前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、
   前記初期冷却工程の後であって、前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程に分かれていることを特徴とする空調装置。
10. 空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させる空調方法において、
    冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を使用し、
    前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、
    前記液化ガス式冷却手段によって温度を低下させる後期冷却工程と、
    前記初期冷却工程と前記後期冷却工程の間の中間期冷却工程であって、前記冷凍サイクル式冷却手段と前記液化ガス式冷却手段を併用して温度を低下させる前記中間期冷却工程と、に分けて、前記空間内の温度を目標温度に至らせることを特徴とする空調方法。
11. 空間内の温度を高温状態または常温状態から極低温の目標温度に低下させる空調方法において、
    冷凍サイクルを構成して温度を低下させる冷凍サイクル式冷却手段と、液化冷却ガスによって温度を低下させる液化ガス式冷却手段を使用し、
    前記冷凍サイクル式冷却手段によって温度を低下させる初期冷却工程と、前記初期冷却工程の後であって前記液化ガス式冷却手段のみによって温度を低下させる後期冷却工程と、に分けて、前記空間内の温度を目標温度に至らせることを特徴とする空調方法。

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