WO2013190747A1 - 環境試験装置 - Google Patents

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cooling heat
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temperature
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康晴 神
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ナガノサイエンス株式会社
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    • G01N17/002Test chambers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/12Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F24F3/147Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification with both heat and humidity transfer between supplied and exhausted air
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    • F24F5/0042Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater characterised by the application of thermo-electric units or the Peltier effect
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
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    • F25B2321/00Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/025Removal of heat
    • F25B2321/0251Removal of heat by a gas

Definitions

  • the present invention relates to an environmental test apparatus such as a constant temperature and humidity chamber, and more particularly to a technique for performing an energy saving operation.
  • an environmental test apparatus such as a constant temperature and humidity chamber
  • a temperature sensor and a humidity sensor are provided in a test chamber of a thermo-hygrostat surrounded by a heat insulating wall, and an air conditioner including a refrigerator, a humidifier, and a heater is based on these measured values. I have control. By doing so, air is circulated between the test chamber of the constant temperature and humidity chamber and the air conditioner so that the temperature and humidity in the test chamber are kept constant at the target temperature and humidity (see, for example, Patent Document 1). ).
  • an evaporator of a refrigerant circuit that performs a refrigeration cycle is used for air cooling and dehumidification, and a heater and a humidifier provided separately from the refrigerant circuit are used to generate air at a target temperature and humidity. It is trying to generate.
  • the air is cooled by the evaporator of the refrigerant circuit from the current point A to point B on the saturated water vapor pressure curve.
  • the air is cooled to point B, condensation occurs in the evaporator.
  • cooling the air to point C reduces the temperature and humidity.
  • air is heated with the heater from the point C to the point D, the air of target temperature / humidity will be obtained.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to enable energy saving during steady operation with a small control amount in an environmental test apparatus such as a constant temperature and humidity chamber. .
  • the first invention includes a cooling heat exchanger that cools and dehumidifies air, a heater that heats air, and a humidifier that humidifies air, and sets the temperature and humidity of the air in the test room to a target temperature and humidity. Assume an environmental testing device configured to control.
  • the environmental test apparatus includes a main cooling heat exchanger constituted by an evaporator of a refrigerant circuit and an auxiliary cooling heat exchanger having a smaller heat capacity than the main cooling heat exchanger. It is characterized by comprising an electronic cooler.
  • the “cooling heat exchanger” means a heat exchanger that also performs dehumidification by cooling air.
  • the air in the test chamber is cooled and dehumidified by the main cooling heat exchanger, and the temperature and humidity of the test chamber are adjusted by adjusting the temperature and humidity of the air by the heater and the humidifier.
  • the value can be controlled.
  • the auxiliary cooling heat exchanger has a smaller heat capacity and a smaller heat exchange area than the main cooling heat exchanger. Therefore, the input to the auxiliary cooling heat exchanger can be reduced.
  • the main cooling heat exchanger with a large heat exchange area if the cooling capacity is reduced, dew condensation may not occur on the surface of the heat exchanger and dehumidification may not be performed, whereas auxiliary cooling with a small heat exchange area. If a heat exchanger is used, dehumidification is possible even at low output.
  • the auxiliary cooling heat exchanger includes a first auxiliary cooling heat exchanger and a second auxiliary cooling heat exchanger, and the first auxiliary cooling heat exchanger and the second auxiliary cooling are included.
  • the exchanger is characterized in that any one of them is configured as an air cooler alternately.
  • air dehumidification is performed by alternately using the first auxiliary cooling heat exchanger and the second auxiliary cooling heat exchanger.
  • the second auxiliary cooling heat exchanger can be stopped or operated at a low capacity, or can be on the heat dissipation side, and the second auxiliary cooling heat exchanger can be cooled.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger can be stopped or operated with low capacity, or can be on the heat dissipation side.
  • either the first auxiliary cooling heat exchanger or the second auxiliary cooling heat exchanger is an air cooler.
  • the operation mode in which defrosting is performed on the other side is configured to be possible.
  • the second auxiliary cooling heat exchanger when the first auxiliary cooling heat exchanger is on the cooling dehumidifying side, the second auxiliary cooling heat exchanger is on the defrost side, and when the second auxiliary cooling heat exchanger is on the cooling side, the first auxiliary cooling heat exchanger is on the cooling side.
  • the heat exchanger can be on the defrost side.
  • the auxiliary cooling heat exchanger on the defrost side may perform a heat radiation operation, may gradually defrost by stopping the cooling operation, or may continue cooling slightly. Thus, defrosting may be performed at the same time while cooling with low capacity.
  • the electronic cooler is constituted by a Peltier effect element, the first electric heating surface of the Peltier effect element faces the inside of the machine, and the second electric heating surface is the machine. It is characterized by being configured to face the outside.
  • the operation of cooling and dehumidifying the air becomes possible, and the heat radiation is performed on the air outside the apparatus.
  • the evaporator of the refrigerant circuit is the main cooling heat exchanger, while the auxiliary cooling heat exchanger having a smaller heat capacity than that of the main cooling heat exchanger is provided.
  • a small amount of auxiliary cooling heat exchanger during steady operation can be used properly.
  • the auxiliary cooling heat exchanger it is possible to perform a dehumidifying operation at a low output, which is difficult with a main cooling heat exchanger having a large cooling capacity, and energy saving can be realized.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger and the second auxiliary cooling heat exchanger are alternately used to cool and dehumidify the air, while the other auxiliary cooling heat exchanger is stopped or has a low capacity. Since it is possible to perform the operation or to perform the operation to the heat radiation side, for example, the air can be cooled and dehumidified simultaneously while defrosting the frosted auxiliary cooling heat exchanger.
  • the continuous operation may stop when the main cooling heat exchanger is frosted, whereas according to the second invention, the auxiliary cooling is performed. Continuous operation is possible by using two heat exchangers alternately.
  • the second aspect of the invention includes a defrost operation when the auxiliary cooling heat exchanger is used alternately. However, if the defrost operation is not necessary depending on the operation condition, the auxiliary cooling heat exchanger that does not become the cooling side is stopped or The cooling operation may be performed with a low capacity.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger and the second auxiliary cooling heat exchanger are alternately used to cool and dehumidify the air while the other auxiliary cooling heat exchanger is set to the defrost side. Therefore, the air can be cooled and dehumidified while defrosting the frosted auxiliary cooling heat exchanger.
  • the structure using only the main cooling heat exchanger of a refrigerant circuit when a main cooling heat exchanger frosts, continuous operation will stop, In this 3rd invention
  • continuous operation is possible by using two auxiliary cooling heat exchangers alternately.
  • the operation of cooling and dehumidifying the air becomes possible, and the heat radiation is performed on the air outside the apparatus. It is possible to prevent the air temperature from rising more than necessary.
  • FIG. 1A is a central longitudinal sectional view showing a constant temperature and humidity chamber of an environmental test apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the environmental test apparatus of FIG.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram showing the temperature change of the air by the main cooling heat exchanger
  • FIG. 3B is an explanatory diagram showing the temperature change of the air by the auxiliary cooling heat exchanger.
  • 4A is a central longitudinal sectional view showing a constant temperature and humidity chamber of an environmental test apparatus according to another embodiment
  • FIG. 4B is a sectional view taken along line BB of FIG. 4A. It is a flowchart which shows the modification of the driving
  • This embodiment relates to a constant temperature and humidity chamber 11 of an environmental test apparatus 10 used for a stability test of pharmaceuticals and the like.
  • 1A is a central longitudinal sectional view showing a constant temperature and humidity chamber 11 of the environmental test apparatus 10, and FIG. 1B is a sectional view taken along the line BB of FIG. 1A.
  • This constant temperature and humidity chamber 11 is a rectangular parallelepiped box fixed on the base 12, in order to maintain the temperature and humidity in the following test chamber C ⁇ b> 1 formed inside within a preset range. Used for.
  • the constant temperature and humidity chamber 11 includes a front plate 13 provided with a door 13a, a back plate 14 facing the front plate 13, side plates 15 and 16 on both left and right sides, a top plate 17 positioned at the upper end of the box, And a bottom plate 18 located at the lower end.
  • a partition plate 18 that divides the inside of the constant temperature and humidity chamber 11 into a test chamber C1 located on the front side and an air conditioning chamber C2 located on the back side.
  • a shelf board (not shown) that divides the inside of the test chamber C1 into a plurality of stages is provided inside the test chamber C1.
  • the test chamber C1 inside the constant temperature and humidity chamber 11 is opened so that a sample can be put in the test chamber C1 and a sample in the test chamber C1 can be taken out. It has become.
  • a humidifier 21, a cooling heat exchanger 22, a heater 23, and a fan 24 are arranged in order from the bottom to the top. Further, an air outlet plate 25 having an air outlet 25 a is provided on the upper portion of the fan 24.
  • the fan 24 the air in the test chamber C1 is sucked into the air conditioning chamber C2 from below, the temperature and humidity are adjusted, and conditioned air is blown out from above the air conditioning chamber C2. In this way, air circulates between the test chamber C1 and the air conditioning chamber C2.
  • the humidifier 21 includes a heater 21a and a receiving tray 21b for storing water for humidification.
  • the heater 21a heats the water for humidification with a heating amount corresponding to the supplied electric energy.
  • Water is supplied to the receiving tray 21b from a water supply tank (not shown) provided outside the test chamber C1.
  • the humidifier 21 performs the operation
  • the cooling heat exchanger 22 is a heat exchanger that cools and dehumidifies air, and includes a main cooling heat exchanger 31 and an auxiliary cooling heat exchanger 32 having a smaller heat capacity than the main cooling heat exchanger 31.
  • the main cooling heat exchanger 31 is constituted by an evaporator of a refrigerant circuit that performs a vapor compression refrigeration cycle, and is disposed so as to be entirely located inside the air conditioning chamber C2. Moreover, what is necessary is just to install suitably other components, such as a compressor of a refrigerant circuit, and a condenser, outside the machine.
  • the main cooling heat exchanger 31 is mainly used at the start of operation or when the temperature and humidity greatly deviate from the target set value for some reason, and during most of the operation, auxiliary cooling heat exchange is performed.
  • a vessel 32 is used.
  • the auxiliary cooling heat exchanger 32 is configured by an electronic cooler. Specifically, the auxiliary cooling heat exchanger includes a Peltier effect element 33 that is an electronic cooler, a first fin 34 provided on the first electrothermal surface 33 a of the Peltier effect element 33, and a second Peltier effect element 33. It has the 2nd fin 35 provided in the electrothermal surface 33b.
  • the auxiliary cooling heat exchanger 32 is arranged such that the first electric heating surface 33a faces the air conditioning chamber C2 in the apparatus and the second electric heating surface 33b faces the outside space.
  • the auxiliary cooling heat exchanger 32 includes a first auxiliary cooling heat exchanger 32a and a second auxiliary cooling heat exchanger 32b that are positioned in parallel with the air flow direction in the air conditioning chamber C2.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger 32a and the second auxiliary cooling heat exchanger 32b are configured in the same manner.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger 32a and the second auxiliary cooling exchanger are configured to be a cooler that alternately cools and dehumidifies air.
  • the second auxiliary cooling heat exchanger 32b stops or dissipates heat at the first electric heating surface 33a, and the second auxiliary heating heat exchanger 32a
  • the first auxiliary cooling heat exchanger 32a stops or dissipates heat at the first electric heating surface 33a.
  • auxiliary cooling heat exchanger 32 under the operating conditions in which the auxiliary cooling heat exchanger 32 is frosted, when one of the first auxiliary cooling heat exchanger 32a and the second auxiliary cooling heat exchanger 32b is an air cooler, defrost is performed on the other. Operation mode is enabled. In this operation mode, when the first electric heating surface 33a of the first auxiliary cooling heat exchanger 32a becomes a cooling surface, the first electric heating surface 33a of the second auxiliary cooling heat exchanger 32b becomes a heat dissipation surface, When the first electric heating surface 33a of the auxiliary cooling heat exchanger 32b becomes a cooling surface, the state can be switched between the first electric heating surface 33a of the first auxiliary cooling heat exchanger 32a becoming a heat dissipation surface.
  • auxiliary cooling heat exchangers 32a and 32b on the defrost side can be defrosted slowly even if they are stopped as well as being switched to the heat radiation side. Further, even if the auxiliary cooling heat exchangers 32a and 32b on the defrost side continue to operate with a slight cooling capacity, it is possible to perform the defrosting simultaneously while continuing the cooling operation slightly.
  • the cooling heat exchanger 22 (the main cooling heat exchanger 31 and the auxiliary cooling heat exchanger 32) performs an operation of reducing the air flowing through the air conditioning chamber C2 to a dew point temperature calculated based on the set temperature and the set humidity. . As a result, a necessary amount of water at the set temperature and set humidity is secured. This control is performed in consideration of the operation amount of the temperature and humidity by the humidifier 21 and the heater 23.
  • the heater 23 is, for example, an electric heater, and performs an operation of raising the air cooled by the cooling heat exchanger 22 to a set temperature based on a control signal output from the controller 40 described later. Thereby, the heater 23 heats the inside of the test chamber C1 with the heating amount according to the supplied electric energy.
  • the fan 24 operates so that conditioned air whose temperature and humidity are adjusted by the humidifier 21, the cooling heat exchanger 22, and the heater 23 is circulated in the test chamber C1.
  • the air in the test chamber C1 is circulated by the fan 24, and the humidifier 21, the cooling heat exchanger 22, and the heater 23 are operated as necessary, so that the temperature and humidity in the test chamber C1 can be controlled. It is stably maintained within a preset range.
  • a temperature / humidity sensor is provided in the test chamber C1, and feedback control based on, for example, a detection value is performed.
  • the controller 12 is provided on the base 12.
  • the controller 40 is connected to each of the devices 21, 22, 23, and 24 provided in the air-conditioning room C2, and has a temperature sensor (not shown) provided in the test room C1 and a constant temperature and humidity. It is connected to the input part (not shown) of the operation panel provided in the tank 11.
  • the controller 40 controls the humidifier 21, the cooling heat exchanger 22, and the heater 23 based on the input setting signal and the detected temperature of the test chamber C1, and the temperature and humidity of the air in the test chamber C1 are targeted. Adjusted to temperature and humidity.
  • step ST1 the temperature and humidity of the test chamber C1 are measured in step ST1 and step ST2.
  • step ST3 convergence determination is performed, and it is determined whether or not the measured temperature and humidity have converged within a predetermined temperature and humidity range with respect to the set temperature and humidity.
  • step ST4 air is cooled and dehumidified by the main cooling heat exchanger 31 (refrigerant refrigerator) in step ST4, and the temperature and humidity are adjusted by the humidifier 21 and the heater 23 in steps ST5 and ST6. To return to step ST1.
  • the main cooling heat exchanger 31 refrigerant refrigerator
  • step ST3 If the determination result in step ST3 is “YES”, the room temperature of the test chamber C1 converges to a predetermined temperature range with respect to the set value and enters a steady operation. In this case, the process proceeds to step ST7. In this steady operation, the main cooling heat exchanger 31 is stopped, and the cooling and dehumidifying operation by the auxiliary cooling heat exchanger 32 is performed.
  • the heat exchange area of the main cooling heat exchanger 31 is S.
  • the air temperature does not decrease in the main cooling heat exchanger 31 during steady operation
  • the auxiliary Since the air temperature is lowered only by the cooling heat exchanger 32, the temperature T3 of the air flowing out from the cooling heat exchanger 22 is T3 T1 ⁇ T. Therefore, the temperature becomes higher than that when the main cooling heat exchanger 31 is used, and the dehumidification amount is also reduced accordingly.
  • the ratio of the heat exchange area between the main cooling heat exchanger 31 and the auxiliary cooling heat exchanger 32 is not simply proportional to the heat capacity or cooling capacity of the main cooling heat exchanger 31 and the auxiliary cooling heat exchanger 32. Here, it is assumed to be roughly proportional. Note that the heat exchange area of the auxiliary cooling heat exchanger 32 is determined based on the cooling capacity required during steady operation.
  • the cooling and dehumidifying capacity can be reduced by using the auxiliary cooling heat exchanger 32 during steady operation.
  • the capacity of the heat exchanger is reduced too much, dew condensation cannot occur without dew condensation. Since it does not stop, dehumidification is not disabled.
  • the steady operation is a state in which the temperature and humidity in the test chamber C1 are converged within a predetermined range. Therefore, rapid cooling and rapid dehumidification are not necessary, and the operation using the auxiliary cooling heat exchanger 32 is performed. Even so, it is sufficient to keep the temperature and humidity at the set values. Moreover, if the capacity of the heat exchanger is too large, there is a risk that hunting is likely to occur in the control. However, with the auxiliary cooling heat exchanger 32 of the present embodiment, stable operation with reduced hunting is performed.
  • step ST7 the frosting state of the auxiliary cooling heat exchanger 32 is determined. If the auxiliary cooling heat exchanger 32 is frosted, an operation of switching between the cooling side and the defrosting side is executed in step ST8, and the process proceeds to step ST9 and after. If not, the auxiliary cooling heat exchanger 32 is switched. Without proceeding to step ST9.
  • the auxiliary cooling heat exchanger 32 on the defrosting side may be de-energized and stopped to perform defrosting by a gradual temperature rise, or the auxiliary cooling heat exchanger 32 on the defrosting side Defrosting may be performed relatively quickly by switching the direction of voltage application so that one electrothermal surface 33a is on the heat radiation side. What is necessary is just to set control of the auxiliary
  • step ST9 the temperature and humidity are controlled by the auxiliary cooling heat exchanger 32 on the dehumidifying cooling side.
  • the temperature and humidity are adjusted by the humidifier 21 and the heater 23, and the process returns to step ST1.
  • the auxiliary cooling heat exchanger 32 is provided in addition to the main cooling heat exchanger 31, and air is cooled and dehumidified by the auxiliary cooling heat exchanger 32 having a small heat exchange area during steady operation. . Since the auxiliary cooling heat exchanger 32 has a smaller heat capacity than the main cooling heat exchanger 31, less temperature is required to change the temperature of the auxiliary cooling heat exchanger 32, and power consumption is reduced. In addition, when a heat exchanger having a large cooling capacity is used during low-power steady operation, air may not be dehumidified without causing condensation on the surface of the heat exchanger, whereas the auxiliary cooling heat exchanger 32 is used. As a result, dehumidification can be reliably performed even during steady operation, and energy consumption at that time is also reduced.
  • the evaporator of the refrigerant circuit is not suitable for a low output heat exchanger (main cooling heat exchanger 31), in this embodiment, a low output auxiliary cooling heat exchange is performed using the Peltier effect element 33.
  • the device 32 can be easily put into practical use.
  • the first auxiliary cooling heat exchanger 32a and the second auxiliary cooling heat are used. It is effective to operate the exchanger 32b by alternately switching between the cooling and dehumidifying side and the defrosting side.
  • the setting condition is 10 ° C. and 50% RH
  • the dew point temperature is 0 ° C.
  • the setting temperature is 5 ° C. and 60% RH
  • the dew point temperature is ⁇ 2 ° C.
  • frost formation is likely to occur.
  • switching between the two auxiliary cooling heat exchangers 32 enables continuous operation.
  • the position and shape of the humidifier 21 in FIG. 1 may be changed as in the humidifier 26 shown in FIG.
  • the humidifier 26 in FIG. 4 is a water spray type humidifier 26. Even with this configuration, it is possible to obtain air having the desired temperature and humidity on the outlet side of the fan 24.
  • the interval between the main cooling heat exchanger 31 and the heater 23 is widened, and the auxiliary cooling heat exchanger 32 is shifted upward in FIG. 1 so as to be positioned downstream of the main cooling heat exchanger 31. It may be arranged (not shown). Even if comprised in this way, it is possible to acquire the effect similar to the said embodiment.
  • the frosting state determination in step ST7 shown in the flowchart of FIG. 2 can be specifically determined based on the time period as shown in step ST7 'of FIG.
  • a time period in which frost formation is likely to occur is determined in advance according to the temperature and humidity setting conditions, and the auxiliary cooling heat exchanger 32 is preferably switched between the cooling and dehumidifying side for each time period.
  • the frost determination is performed by providing a photoelectric sensor in the vicinity of the auxiliary cooling heat exchanger 32 and detecting a change in the reflection state of light in the auxiliary cooling heat exchanger 32. You may make it discriminate
  • the number of auxiliary cooling heat exchangers 32 may be one instead of two.
  • the present invention is useful for a technique for performing an energy saving operation of an environmental test apparatus such as a constant temperature and humidity chamber.

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Abstract

 空気の冷却と除湿を行う冷却熱交換器22と、空気を加熱する加熱器23と、空気を加湿する加湿器21とを備え、試験室C1の空気の温湿度を目標温湿度に制御する環境試験装置10において、冷媒回路の蒸発器を主冷却熱交換器31とし、主冷却熱交換器31よりも熱容量の小さな補助冷却熱交換器32を設け、補助冷却熱交換器32をペルチェ効果素子などの電子冷却器33により構成して、制御量の小さな定常運転時の省エネルギー化を可能にする。

Description

環境試験装置
 本発明は、恒温恒湿槽等の環境試験装置に関し、特に、省エネルギー運転を行うための技術に関するものである。
 従来より、医薬品等の安定性試験を行うに際し、所定の温度及び所定の湿度の条件下における製品の性能を試験するために、例えば、恒温恒湿槽等の環境試験装置が用いられている。こうした環境試験装置においては、断熱壁で囲まれた恒温恒湿槽の試験室内に温度センサ及び湿度センサを設け、これらの計測値に基づいて冷凍機、加湿器及び加温器を含む空調装置を制御している。こうすることにより、恒温恒湿槽の試験室内と空調装置との間で空気を循環させて、試験室内の温湿度を目標温湿度で一定となるようにしている(例えば、特許文献1を参照)。
 上記環境試験装置では、一般に、冷凍サイクルを行う冷媒回路の蒸発器を空気の冷却や除湿に用いるとともに、冷媒回路とは別に設けた加熱器と加湿器を用いることにより、目標温湿度の空気を生成するようにしている。
特開平7-140061号公報
 ところで、恒温恒湿槽では、定常運転に入って除湿量が少なくて済む場合でも、エネルギー消費が大きくなることがある。具体例として、例えば図6の空気線図において、現状の空気の状態を示すポイントAから目標のポイントDへ湿度を調整する場合について考察する。
 この場合、まず、現状のポイントAから飽和水蒸気圧曲線上のポイントBまで、冷媒回路の蒸発器で空気を冷却する。ポイントBまで空気を冷却すると蒸発器で結露が発生する。さらに、空気をポイントCまで冷却することにより温度と湿度が低下する。そして、空気をポイントCからポイントDまで加熱器により加熱すると、目標温湿度の空気が得られる。
 上記の方法では、絶対湿度の制御量が小さいにもかかわらず、ポイントAからポイントCへ空気を冷却する過程とポイントCからポイントDへ空気を加熱する過程の両方で大きなエネルギーが消費されるので、運転の効率が低下してしまう。このとき、冷却空気量が質量Mであるとすると、ポイントAとポイントCのエンタルピー差はHC-HA=M(hC-hA)となり、これに比例してエネルギーが消費されることになる。
 本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、恒温恒湿槽などの環境試験装置において、制御量の小さな定常運転時の省エネルギー化を可能にすることである。
 第1の発明は、空気の冷却と除湿を行う冷却熱交換器と、空気を加熱する加熱器と、空気を加湿する加湿器とを備え、試験室の空気の温度と湿度を目標温湿度に制御するように構成された環境試験装置を前提としている。
 そして、この環境試験装置は、冷媒回路の蒸発器により構成された主冷却熱交換器と、主冷却熱交換器よりも熱容量の小さな補助冷却熱交換器とを備え、この補助冷却熱交換器が電子冷却器により構成されていることを特徴としている。なお、「冷却熱交換器」は、空気を冷却することにより除湿も行う熱交換器を意味している。
 この第1の発明では、主冷却熱交換器で試験室の空気を冷却するとともに除湿し、さらに加熱器と加湿器で空気の温湿度を調節することにより、試験室の空気の温湿度を目標値に制御することができる。一方、補助冷却熱交換器は主冷却熱交換器よりも熱容量が小さく、熱交換面積も小さい。したがって、補助冷却熱交換器への入力が少なくて済む。また、熱交換面積の大きな主冷却熱交換器では、冷却能力を小さくすると熱交換器の表面で結露が生じず、除湿が行われないことがあるのに対して、熱交換面積の小さな補助冷却熱交換器を用いると、低出力でも除湿が可能になる。
 第2の発明は、第1の発明において、上記補助冷却熱交換器が、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器を含み、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却交換器は、何れか一方が交互に空気冷却器となるように構成されていることを特徴としている。
 この第2の発明では、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器を交互に用いて空気の冷却除湿が行われる。例えば、第1補助冷却熱交換器が冷却側になるとき、第2補助冷却熱交換器を停止または低能力で運転するか、放熱側にすることができ、第2補助冷却熱交換器が冷却熱交換器になるとき、第1補助冷却熱交換器を停止または低能力で運転するか、放熱側にすることができる。
 第3の発明は、第2の発明において、上記補助冷却熱交換器が着霜する運転条件では、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器のいずれか一方が空気冷却器となるときに他方でデフロストが行われる運転モードが可能に構成されていることを特徴としている。
 この第3の発明では、第1補助冷却熱交換器が冷却除湿側になるときには第2補助冷却熱交換器をデフロスト側にし、第2補助冷却熱交換器が冷却側になるときには第1補助冷却熱交換器をデフロスト側にすることができる。この構成において、デフロスト側の補助冷却熱交換器は、放熱動作をするようにしてもよいし、冷却動作を停止することにより徐々に除霜をしてもよいし、わずかに冷却を継続することにより低能力で冷却しながら同時に除霜も行うようにしてもよい。
 第4の発明は、第1,第2または第3の発明において、電子冷却器がペルチェ効果素子により構成され、該ペルチェ効果素子の第1電熱面が機内に面し、第2電熱面が機外に面するように構成されていることを特徴としている。
 この第4の発明では、補助冷却熱交換器の第1電熱面を冷却面にすると空気を冷却除湿する運転が可能になり、放熱は機外の空気に対して行われる。
 本発明によれば、冷媒回路の蒸発器を主冷却熱交換器とする一方、主冷却熱交換器よりも熱容量の小さな補助冷却熱交換器を設けたことにより、主冷却熱交換器と、制御量の小さな定常運転時の補助冷却熱交換器を使い分けることができる。そして、補助冷却熱交換器を用いると、冷却能力が大きな主冷却熱交換器では困難な低出力での除湿運転が可能になり、省エネルギー化を実現できる。
 上記第2の発明によれば、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器を交互に用いて空気の冷却除湿を行いながら、他方の補助冷却熱交換器を停止または低能力で運転するか、放熱側にする運転を行うことが可能であるから、例えば着霜した補助冷却熱交換器を除霜しながら空気の冷却除湿を同時に行うことができる。そして、冷媒回路の主冷却熱交換器だけを用いる構成では主冷却熱交換器が着霜すると連続運転が停止してしまうおそれがあるのに対して、この第2の発明によれば、補助冷却熱交換器を2つ交互に用いることにより連続運転が可能になる。この第2の発明は、補助冷却熱交換器を交互に用いる場合のデフロストの運転動作を含むものであるが、運転条件によってデフロスト運転が必要でない場合は、冷却側にならない補助冷却熱交換器は停止または低能力で冷却動作を行うようにすればよい。
 上記第3の発明によれば、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器を交互に用いて空気の冷却除湿を行いながら、他方の補助冷却熱交換器をデフロスト側にする運転を行うことが可能であるから、着霜した補助冷却熱交換器を除霜しながら空気の冷却除湿を同時に行うことができる。そして、第2の発明と同様に、冷媒回路の主冷却熱交換器だけを用いる構成では主冷却熱交換器が着霜すると連続運転が停止してしまうのに対して、この第3の発明においても、補助冷却熱交換器を2つ交互に用いることにより連続運転が可能になる。
 上記第4の発明によれば、補助冷却熱交換器の第1電熱面を冷却面にすると空気を冷却除湿する運転が可能になり、放熱は機外の空気に対して行われるので、試験室の空気温度が必要以上に上昇したりするのを防止できる。
図1(A)は、本発明の実施形態に係る環境試験装置の恒温恒湿槽を示す中央縦断面図、図1(B)は図1(A)のB-B線断面図である。 図2は、図1の環境試験装置の運転動作を示すフローチャートである。 図3(A)は、主冷却熱交換器による空気の温度変化を示す説明図、図3(B)は、補助冷却熱交換器による空気の温度変化を示す説明図である。 図4(A)は、他の実施形態に係る環境試験装置の恒温恒湿槽を示す中央縦断面図、図4(B)は図4(A)のB-B線断面図である。 環境試験装置の運転動作の変形例を示すフローチャートである。 冷却熱交換器の結露による除湿動作を示す空気線図である。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
 本実施形態は、医薬品等の安定性試験に使用される環境試験装置10の恒温恒湿槽11に関するものである。図1(A)はこの環境試験装置10の恒温恒湿槽11を示す中央縦断面図、図1(B)は図1(A)のB-B線断面図である。この恒温恒湿槽11は、基台12の上に固定された直方体のボックスであり、内部に形成されている下記の試験室C1内の温度と湿度を、予め設定した範囲内に維持するために用いられる。
 恒温恒湿槽11は、扉13aが設けられた前板13と、前板13に対向する背板14と、左右両側面の側板15,16と、ボックスの上端に位置する天板17と、下端に位置する底板18とを有している。恒温恒湿槽11の内部には、恒温恒湿槽11の内部を、前面側に位置する試験室C1と、背面側に位置する空調室C2とに区画する仕切板18が設けられている。
 試験室C1の内部には、試験室C1の内部を複数段に区画する棚板(図示せず)が設けられている。恒温恒湿槽11の扉13aを開けると、恒温恒湿槽11の内部の試験室C1が開放され、試験室C1内に試料を入れたり、試験室C1の試料を取り出したりすることができるようになっている。
 空調室C2には、下方から上方へ向かって順に、加湿器21、冷却熱交換器22、加熱器23、及びファン24が配置されている。また、ファン24の上部には、空気吹出口25aを有する吹出口プレート25が設けられている。上記ファン24により、試験室C1の空気が空調室C2に下方から吸い込まれて温度と湿度が調整され、調和空気が空調室C2の上方から試験室C1に吹き出される。空気は、このようにして試験室C1と空調室C2を循環する。
 加湿器21は、ヒータ21aと、加湿用の水を貯留する受け皿21bとを備えている。ヒータ21aは、供給された電力量に応じた加熱量で加湿用の水を加熱する。受け皿21bには、試験室C1の外部に設けられた給水タンク(図示せず)から水が供給される。そして、加湿器21は、後述するコントローラ40から出力された制御信号に基づいて、受け皿21bに貯留された水をヒータ21aで蒸発させ、空気を加湿する動作を行う。これにより、加湿器21は、供給された電力量に応じた加湿量で試験室C1内を加湿する。
 冷却熱交換器22は、空気の冷却と除湿を行う熱交換器であり、主冷却熱交換器31と、主冷却熱交換器31よりも熱容量の小さな補助冷却熱交換器32とを含んでいる。主冷却熱交換器31は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路の蒸発器により構成され、空調室C2の内部に全体が位置するように配置されている。また、冷媒回路の圧縮機や凝縮器など他の構成部品は、機外に適宜設置すればよい。
 本実施形態において、主冷却熱交換器31は、主に運転開始時や何らかの原因で温湿度が目標設定値から大きく外れた場合に用いられ、すべての運転中のほとんどの時間は補助冷却熱交換器32が用いられる。
 補助冷却熱交換器32は電子冷却器により構成されている。具体的には、補助冷却熱交換器は、電子冷却器であるペルチェ効果素子33と、ペルチェ効果素子33の第1電熱面33aに設けられた第1フィン34と、ペルチェ効果素子33の第2電熱面33bに設けられた第2フィン35とを有している。そして、補助冷却熱交換器32は、第1電熱面33aが機内の空調室C2に面し、第2電熱面33bが機外空間に面するように配置されている。
 補助冷却熱交換器32は、空調室C2における空気の流れ方向に対して並列に位置する第1補助冷却熱交換器32aと第2補助冷却熱交換器32bとを含んでいる。第1補助冷却熱交換器32aと第2補助冷却熱交換器32bは互いに同様に構成されている。第1補助冷却熱交換器32aと第2補助冷却交換器は、交互に空気を冷却除湿する冷却器となるように構成されている。つまり、第1補助冷却熱交換器32aの第1電熱面33aが冷却面になるとき、第2補助冷却熱交換器32bは停止またはその第1電熱面33aで放熱する状態になり、第2補助冷却熱交換器32bの第1電熱面33aが冷却面になるとき、第1補助冷却熱交換器32aは停止またはその第1電熱面33aで放熱する状態になる。
 特に、補助冷却熱交換器32が着霜する運転条件では、第1補助冷却熱交換器32aと第2補助冷却熱交換器32bのいずれか一方が空気冷却器となるときに他方でデフロストが行われる運転モードが可能になっている。この運転モードでは、第1補助冷却熱交換器32aの第1電熱面33aが冷却面になるときに第2補助冷却熱交換器32bの第1電熱面33aが放熱面になる状態と、第2補助冷却熱交換器32bの第1電熱面33aが冷却面になるときに第1補助冷却熱交換器32aの第1電熱面33aが放熱面になる状態とを切り換えることができる。
 なお、デフロスト側の補助冷却熱交換器32a,32bは、放熱側に切り換えるだけでなく、停止させるようにしてもゆっくりと除霜をすることは可能である。また、デフロスト側の補助冷却熱交換器32a,32bをわずかな冷却能力で動作を継続させても、わずかに冷却動作を継続しながら同時にデフロストを行うことが可能である。
 上記冷却熱交換器22(主冷却熱交換器31及び補助冷却熱交換器32)は、空調室C2を流れる空気を、設定温度及び設定湿度に基づいて算出された露点温度に低下させる動作を行う。これにより、設定温度及び設定湿度における必要な水分量を確保するようにしている。この制御は、加湿器21及び加熱器23による温湿度の操作量を考慮して行われる。
 加熱器23は、例えば電気ヒータであって、後述するコントローラ40から出力された制御信号に基づいて、冷却熱交換器22で冷却された空気を設定温度に上昇させる動作を行う。これにより、加熱器23は、供給された電力量に応じた加熱量で試験室C1内を加熱する。
 ファン24は、加湿器21、冷却熱交換器22、及び加熱器23で温度と湿度が調整された調和空気を試験室C1内に循環させるように動作する。このように、ファン24により試験室C1内の空気を循環させ、必要に応じて加湿器21、冷却熱交換器22、加熱器23をそれぞれ動作させることで、試験室C1内の温度及び湿度を予め設定した範囲内に安定的に維持する。なお、試験室C1内には温湿度センサが設けられており、例えば検出値に基づくフィードバック制御が行われる。
 空調室C2に設けられている加湿器21、冷却熱交換器22、加熱器23及びファン24等の各機器の動作を制御するため、上記基台12にはコントローラ40が設けられている。このコントローラ40は、空調室C2に設けられている上記の各機器21,22,23,24が接続されるとともに、試験室C1に設けられている温度センサ(図示せず)や、恒温恒湿槽11に設けられている操作パネルの入力部(図示せず)に接続されている。このコントローラ40により、入力された設定信号や試験室C1の検出温度に基づいて、加湿器21、冷却熱交換器22、及び加熱器23を制御し、試験室C1の空気の温度と湿度が目標温湿度に調整される。
  -運転動作-
 次に、上記環境試験装置10の運転状態について図2のフローチャートを用いて説明する。
 制御が開始されると、ステップST1とステップST2において試験室C1の温度と湿度が測定される。ステップST3では収束判定を行い、測定した温湿度が設定温湿度に対して所定の温湿度範囲内に収束しているかどうかを判別する。
 判別結果が「NO」の場合、ステップST4において、主冷却熱交換器31(冷媒式冷凍機)による空気の冷却と除湿を行い、ステップST5,6において加湿器21と加熱器23による温湿度調整を行ってステップST1に戻る。
 ステップST3の判別結果が「YES」の場合、試験室C1の室内温度が設定値に対して所定の温度範囲に収束して定常運転に入っており、この場合はステップST7に進む。この定常運転では主冷却熱交換器31は停止させ、補助冷却熱交換器32による冷却除湿の動作を行う。
 定常運転に入ると補助冷却熱交換器32を用いる理由は以下の通りである。
 まず、図3(A)に示すように、試験室C1の温度と湿度が設定値に収束していない場合は、上記の通り主冷却熱交換器31を用いる。このとき、主冷却熱交換器31に流入する空気の温度をT1とし、温度低下をΔTとすると、冷却熱交換器22から流出する空気の温度T2は、T2=T1-ΔTとなる。なお、主冷却熱交換器31の熱交換面積はSとする。
 一方、定常運転時に用いられる補助冷却熱交換器32の熱交換面積sを、s=αS(ただしα<1)とすると、定常運転時には主冷却熱交換器31では空気温度が低下せず、補助冷却熱交換器32だけで空気温度が低下するので、冷却熱交換器22から流出する空気の温度T3は、T3=T1-αΔTとなる。したがって、主冷却熱交換器31を用いる場合と比べて温度が高くなり、それに伴って除湿量も少なくなる。なお、主冷却熱交換器31と補助冷却熱交換器32の熱交換面積の比率は、主冷却熱交換器31と補助冷却熱交換器32の熱容量や冷却能力に単純に比例するわけではないが、ここでは概ね比例するものとする。なお、補助冷却熱交換器32の熱交換面積は、定常運転時に必要とする冷却能力に基づいて定められる。
 このように、定常運転時には補助冷却熱交換器32を用いることにより、冷却除湿能力を低下させることができる。そして、一般に熱交換器での結露により空気を除湿する際に、熱交換器の能力を下げすぎると結露が発生せずに除湿を行えなくなるのに対して、本実施形態では、低出力でも結露が発生しなくならないので除湿が行えなくなることはない。
 なお、定常運転は試験室C1の室内の温度と湿度が所定の範囲内に収束している状態であるから、急速冷却や急速除湿は必要でなく、補助冷却熱交換器32を用いた運転であっても温湿度を設定値に保つには十分である。また、熱交換器の能力が大きすぎると制御にハンチングが生じやすくなるおそれがあるが、本実施形態の補助冷却熱交換器32であればハンチングを抑えた安定した運転が行われる。
 図2のフローチャートに戻り、ステップST7以降の動作の流れを説明する。ステップST7では補助冷却熱交換器32の着霜状態が判別される。補助冷却熱交換器32が着霜しているとステップST8で冷却側と除霜側を切り換える動作を実行してステップST9以降に進み、着霜していない場合は補助冷却熱交換器32の切換を行わずにステップST9以降に進む。デフロスト運転では、除霜側になる補助冷却熱交換器32を無通電にして停止させて緩やかな温度上昇による除霜を行ってもよいし、除霜側になる補助冷却熱交換器32の第1電熱面33aが放熱側になるように電圧印加の向きを入れ換えて、比較的速く除霜を行ってもよい。除霜側の補助冷却熱交換器32の制御は、空調特性を妨げない範囲で除霜効果が得られるように設定すればよい。
 そして、ステップST9において、除湿冷却側の補助冷却熱交換器32による温湿度の制御を行い、ステップST10,11において、加湿器21と加熱器23による温湿度の調整を行ってステップST1に戻る。
  -実施形態の効果-
 本実施形態によれば、主冷却熱交換器31に加えて補助冷却熱交換器32を設け、定常運転時には熱交換面積の小さな補助冷却熱交換器32で空気の冷却除湿を行うようにしている。この補助冷却熱交換器32は主冷却熱交換器31に比べて熱容量が小さいので、補助冷却熱交換器32の温度を変化させるため入力が少なくて済み、電力消費が少なくなる。また、低出力の定常運転時に冷却能力の大きな熱交換器を用いると熱交換器の表面で結露が生じずに空気を除湿できないことがあるのに対して、上記補助冷却熱交換器32を用いることにより、定常運転時でも除湿を確実に行うことができるから、その際のエネルギー消費も少なくなる。
 また、冷媒回路の蒸発器は低出力の熱交換器(主冷却熱交換器31)にするには不向きであるが、本実施形態では、ペルチェ効果素子33を用いて低出力の補助冷却熱交換器32を容易に実用化できる。
 また、試験室C1の設定条件が低温低湿である場合、補助冷却熱交換器32の表面上で着霜しやすく、そのような条件では、第1補助冷却熱交換器32aと第2補助冷却熱交換器32bを交互に冷却除湿側と除霜側に切り換えて運転することが有効である。例えば、設定条件が10℃50%RHでは露点温度が0℃、5℃60%RHでは露点温度が-2℃になり、着霜が生じやすいのに対して、本実施形態では、そのような低温低湿の運転条件でも2つの補助冷却熱交換器32を切り換えることで連続運転が可能になる。
 《その他の実施形態》
 上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
 例えば、上記実施形態において、図1の加湿器21の位置や形状を、図4に示す加湿器26のように変更してもよい。図4の加湿器26は、水噴霧式の加湿器26である。このように構成しても、ファン24の出口側で目的の温湿度の空気が得ることは可能である。
 また、図1において主冷却熱交換器31と加熱器23の間の間隔を広げ、補助冷却熱交換器32を図1の上方にずらして主冷却熱交換器31の下流側に位置するように配置してもよい(図示せず)。このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
 さらに、図2のフローチャートに示したステップST7の着霜状態判別は、図5のステップST7’に示すように、具体的には時間周期に基づいて判別することができる。この場合、着霜が生じると思われる時間周期を温湿度の設定条件に応じて予め定めておき、その時間周期毎に補助冷却熱交換器32を冷却除湿側と除霜側に切り換えるとよい。
 また、着霜判定は、時間周期を用いる他に、補助冷却熱交換器32の近傍に光電センサを設けておき、補助冷却熱交換器32における光の反射状態の変化を検出して着霜状態を判別するようにしてもよい。
 また、環境試験装置10が補助冷却熱交換器32で着霜が生じない運転条件で使用される場合は、補助冷却熱交換器32は2つ設けずに1つにしてもよい。
 なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
 以上説明したように、本発明は、恒温恒湿槽等の環境試験装置の省エネルギー運転を行う技術について有用である。
 10 環境試験装置
 11 恒温恒湿槽
 21 加湿器
 22 冷却熱交換器
 23 加熱器
 31 主冷却熱交換器
 32 補助冷却熱交換器
 32a 第1補助冷却熱交換器
 32b 第2補助冷却熱交換器
 33 ペルチェ効果素子(電子冷却器)
 33a 第1電熱面
 33b 第2電熱面
 C1 試験室

Claims (4)

  1.  空気の冷却と除湿を行う冷却熱交換器と、空気を加熱する加熱器と、空気を加湿する加湿器とを備え、試験室の空気の温度と湿度を目標温湿度に制御するように構成された環境試験装置であって、
     上記冷却熱交換器は、冷媒回路の蒸発器により構成された主冷却熱交換器と、主冷却熱交換器よりも熱容量の小さな補助冷却熱交換器とを備え、
     上記補助冷却熱交換器が電子冷却器により構成されていることを特徴とする環境試験装置。
  2.  請求項1において、
     上記補助冷却熱交換器が、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器を含み、
     第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却交換器は、何れか一方が交互に空気冷却器となるように構成されていることを特徴とする環境試験装置。
  3.  請求項2において、
     上記補助冷却熱交換器が着霜する運転条件では、第1補助冷却熱交換器と第2補助冷却熱交換器のいずれか一方が空気冷却器となるときに他方でデフロストが行われる運転モードが可能に構成されていることを特徴とする環境試験装置。
  4.  請求項1,2または3において、
     電子冷却器がペルチェ効果素子により構成され、該ペルチェ効果素子の第1電熱面が機内に面し、第2電熱面が機外に面するように構成されていることを特徴とする環境試験装置。
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