JP5726485B2 - 温度調節装置及び恒温恒湿装置 - Google Patents
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Description
公知の通り、冷凍サイクル回路6は、圧縮機7と、凝縮部102と、膨張手段8及び蒸発装置10を有している。そして圧縮機7で気体状の冷媒を圧縮して凝縮部102に送り出し、凝縮部102で冷媒を冷却して液化する。そして膨張手段8を経て冷媒を蒸発装置10に導入し、蒸発装置10内で冷媒を気化して蒸発装置10の表面温度を低下させる。
即ち図15に示す冷却装置102では、クーリングタワー12と凝縮部102の一次側及びポンプ13を含む冷却水循環回路15を備えている。そしてクーリングタワー12で冷却された水をポンプ13で加圧して凝縮部102の一次側に通水し、凝縮部102の二次側を流れる冷媒を冷却して液化する。
そして冷凍サイクル回路6側の凝縮部102の二次側下流の冷媒の圧力を検知し、この圧力が一定となる様に水量調整弁17の開度を調整して凝縮部102の凝縮量を制御している。
凝縮部102は例えば二重管型の凝縮部102であり、内管20と、これを取り巻く外管21を有している。そのため内管20内に内側流路22があり、内管20の外周面と外管21の内周面との間に外側流路23が形成されている。そして二つの隣接する流路22,23の一方に一次側流体たる冷却水を通過させ、他方に二次側流体たる冷媒(相変化する熱媒体)を通過させる。図16の例では、内側流路22に冷却水を通過させ、隣接する外側流路23に冷媒を通過させる構造となっている。
凝縮部の容量を増加させる方策としては、図17の様に、二重管の全長を長くした凝縮部110を採用する方策、図18の様に通常長さの二重管を備えた凝縮部106を並列に接続してそれぞれに水量調整弁17を設ける方策、図19の様に通常長さの二重管を備えた凝縮部106を並列に接続すると共に大容量の水量調整弁113を設ける方策が考えられる。
また図18の様に通常長さの二重管を備えた凝縮部106を並列に接続してそれぞれに水量調整弁17を設ける方策は、二つの制御弁17が干渉してしまい、適切な量の冷却水を流すことができないという問題がある。
即ち試験室2内の現在の環境や、目標とする環境、あるいは被試験物の状態によって、冷却装置101の仕事量(冷熱の供給量)が刻々変化する。従って凝縮部106は凝縮するべき冷媒の量が時間と共に変化し、適切な冷却水の量も変化する。そしてこの変化量は、はなはだ大きいものである。
例えば試験開始直後の場合や、被試験物が発熱する性質を持つものであり、且つ試験室を極低温に維持して試験を行う様な場合ならば、試験室2内の温度を低温に維持するために、冷却装置101はフル運転状態となり、凝縮部106における熱交換量も多い。そのため大量の冷却水を一次側に流す必要がある。
例えば、最大通水量を100パーセント通水量とした場合、増減可能な通水量は、例えば20パーセントから100パーセントの範囲であり、最大通水量の20パーセント未満に水量を絞ることができない。
また仮に20パーセント未満に水量を絞ることができたとしても、通水量が安定せず、信頼性を欠くという問題がある。
そのため冷媒は、それぞれの冷媒通過流路において個別に冷却水等の冷却媒体と熱交換され、個別に液化する。また複数の冷媒通過流路は並列に接続されているから、凝縮した冷媒は、他の冷媒通過流路の状態に係わらず、個別に流れる。即ち他方の冷媒通過流路に液化した冷媒が満たされていても、これとは関係なく、冷媒を通過させることができる。
そして本発明では、複数の冷媒通過流路に液化した冷媒を排出するのに要する圧力が異なるものが混在しているから、液化した冷媒は冷媒通過流路によって流れやすさが違う。そのため液化した冷媒は、液化した冷媒を排出するのに要する圧力が低い側の冷媒通過流路(以下、低抵抗側流路と称する)を流れるものの方が、液化した冷媒を排出するのに要する圧力が高い側の冷媒通過流路(以下、高抵抗側流路と称する)を流れるものよりも優先的に排出されていくこととなる。
そのため要求される冷熱量が少ない場合は、高抵抗側流路を流れる冷媒が冷媒滞留部に滞留し、もっぱら低抵抗側流路を流れる冷媒が、膨張手段側に流れる。
一方、冷却水に注目すると、低抵抗側流路で凝縮された液状冷媒は、次々に膨張手段側に送られ、新たに高温の熱媒ガスが供給されるので、冷却水は、これらと熱交換して下流に流れる。
これに対して高抵抗側流路で凝縮された冷媒は、もはや温度が低下しており、冷却水との間で熱交換を行うことは無い。そのため冷却水は、熱交換することなく通過することとなる。
しかしながら、複数の冷媒通過流路を冷却するための冷却水の総量は、大きなものとなる。即ち冷却水の総量が嵩上げされる。そのため水量調整弁によって制御することができる程度の冷却水量を確保することができる。
また立ち上げ部は、液状冷媒を通過させるのに圧力が必要であるから、冷媒を排出するのに要する圧力を増加させる機能もある。即ち立ち上げ部が設けられた側の冷媒通過流路は、高抵抗流路となる。
そのため液状冷媒を排出するのに要する圧力は、下方に配された冷媒通過流路で凝縮された液状冷媒の方が大きい。
即ち本発明では、上方に配された冷媒通過流路が低抵抗流路として機能し、下方に配された冷媒通過流路が高抵抗流路として機能する。
そのため液化した冷媒は、上方に配された冷媒通過流路を流れるものの方が下方側を流れるものよりも優先的に排出されていくこととなる。
そのため要求される冷熱量が少ない場合は、下側に配された冷媒通過流路の中に液化した冷媒が滞留し、もっぱら、上側の冷媒通過流路で凝縮された冷媒が膨張手段側に流れる。
本実施形態の恒温恒湿装置1は、凝縮部32の構造を除いて先に説明した恒温恒湿装置100と同一である。
即ち恒温恒湿装置1は、図1のように試験室2と、加熱器(ヒータ)3と、加湿器5及び冷却装置(温度調節装置)31を備え、試験室2内に所望の試験環境を作ることができるものである。
冷凍サイクル回路6は、圧縮機7と、凝縮部32と、膨張手段8と、蒸発装置10とを有している。そして圧縮機7で気体状の冷媒を圧縮して凝縮部32に送り出し、凝縮部32で冷媒を液化する。さらに液化した冷媒は膨張手段8を経て蒸発装置10に導入され、蒸発装置10内で冷媒を気化して蒸発装置10の表面温度を低下させる。
即ち本実施形態では、クーリングタワー12と凝縮部32の一次側及びポンプ13を含む冷却水循環回路15を備えている。そしてクーリングタワー12で冷却された水をポンプ13で加圧して凝縮部32の一次側に通水し、凝縮部32の二次側を流れる冷媒を冷却して液化する。
本実施形態で採用する凝縮部32は、図2のように通常の容量の凝縮装置35,36を回路上、2個並列に接続して一つの凝縮部32としたものである。凝縮装置35,36は、図2,3の様に上下に積んで設置されるので、便宜上、上部側の凝縮装置35を上部凝縮装置35と称し、下部側の凝縮装置36を下部凝縮装置36と称する。
具体的には、図4,図5の様に内管20と、これを取り巻く外管21を有している。そのため内管20内に内側流路22があり、内管20の外周面と外管21の内周面との間に外側流路23が形成されている。そして二つの流路の一方に一次側流体たる冷却水を通過させ、他方に二次側流体たる冷媒(相変化する熱媒体)を通過させる。本実施形態では、内側流路22に冷却水を通過させ、外側流路23に冷媒を通過させる構造となっている。
そして二重管の上側の端部41では、外管21の上側の端部が縮径されて外部と連通している。即ち外側流路23は上側の端部41側が外部と連通している。
また二重管の上側の端部41の近傍では、内管20が曲げられ、外管21の外に突出している。即ち内側流路22は上側の端部41の近傍が外部と連通している。
また二重管の下側の端部42近傍では、内管20が曲げられ、外管21の外に突出している。即ち内側流路22は下側の端部42の近傍が外部と連通している。
即ち本実施形態では、上部凝縮装置35と下部凝縮装置36を上下且つ同心状に配置したものである。
より具体的には、冷却水供給口45が分岐管46を介して下部凝縮装置36の下側の端部42側の内側流路22と、上部凝縮装置35の下側の端部42側の内側流路22とに接続されている。
また下部凝縮装置36の上側の端部41側の内側流路22と、上部凝縮装置35の上側の端部41側の内側流路22とが接続管50,51を介して集合冷却水管52に接続されている。また集合冷却水管52の下流側に、水量調整弁(冷却媒体量制御手段)17が取り付けられている。
即ち上部凝縮装置35の下側の端部42側の外側流路23には、上側集合用管62が接続され、下部凝縮装置36の下側の端部42側の外側流路23には、下側集合用管63が接続され、両者が排出側集合部60で合流して一本の熱媒排出流路61に連通している。
即ち下部凝縮装置36の冷媒吐出口と、排出側集合部60とを接続する下側集合用管63は、配管の立ち上げ部80となっている。そのため排出側集合部60の高さは、上部凝縮装置35の底部65と下部凝縮装置36の底部66の間にあり、少なくとも排出側集合部60は、下部凝縮装置36の下側に配された冷媒通過流路(外側流路23)の最下部よりも高い位置にある。
本実施形態の恒温恒湿装置1は、前記した様に試験室2と、加熱器(ヒータ)3と、加湿器5及び冷却装置31を備え、試験室2内に所望の試験環境を作るものであるが、本実施形態の恒温恒湿装置1は、冷却装置31の制御可能範囲が広い。より端的に説明すると、凝縮部32の制御範囲が広く、低負荷にも高負荷にも適応することができる。
また2台の凝縮装置35,36が並列に接続されており、冷媒流路(外側流路23)は並列に接続されているから、凝縮装置35,36の一方で凝縮した冷媒は、他の凝縮装置35,36の他方の稼働状態に係わらず、個別に流れる。即ち下部凝縮装置36に液化した冷媒が満たされていても、これとは関係なく、上部凝縮装置35の外側流路23に冷媒を通過させることができる。
そして本発明では、2台の凝縮装置35,36が高低差をつけて配置されているから、両者内で液化した冷媒は、位置水頭が異なる。即ち上部凝縮装置35で凝縮された液状冷媒の位置水頭は、下部凝縮装置36で凝縮された液状冷媒の位置水頭よりも高い。
加えて下部凝縮装置36の冷媒吐出口と、排出側集合部60とを接続する下側集合用管63は、配管の立ち上げ部80となっている。
そのため下部凝縮装置36で凝縮された液状冷媒を排出するのに要する圧力は、上部凝縮装置35で凝縮された液状冷媒を排出するのに要する圧力よりも高い。
なお、図6、図7、図8について、黒塗り部分は液化した冷媒を表している。
即ちそれぞれの凝縮装置35,36で凝縮された冷媒は、排出側集合部60を経由して外部に排出されるが、排出側集合部60の高さは、下部凝縮装置36の冷媒排出部たる下側の端部42よりも高い。そのため凝縮装置35,36内の圧力が仮に大気圧と同じであるとするならば、下部凝縮装置36の液位が排出側集合部60の高さを越えなければ、下部凝縮装置36内の液状冷媒が外部に排出されることはない。
一方、上部凝縮装置35の底部65は、排出側集合部60よりも高い位置にあるから、上部凝縮装置35内に液状冷媒が溜まることはない。
即ち上部凝縮装置35で凝縮した冷媒は、抵抗無く排出されるのに対し、下部凝縮装置36内の冷媒は、内圧が、位置水頭Phを越えなければ外部に排出されない。
そのため要求される冷熱量が少ない場合は、図8の様に下部凝縮装置36の中の冷媒滞留部81に液化した冷媒が滞留し、もっぱら、上部凝縮装置35を流れる冷媒が膨張手段8側に流れる。
これに対して下部凝縮装置36で凝縮された冷媒は、もはや温度が低下しており、冷却水との間で熱交換を行うことは無い。そのため冷却水は熱交換することなく下部凝縮装置36の内側流路22を通過することとなる。
しかしながら、冷却水の総量は、下部凝縮装置36を通過する冷却水量によって嵩上げされ、大きなものとなる。そのため水量調整弁17によって制御することができる冷却水量が確保され、実際に凝縮機能を発揮している上部凝縮装置35に対する通水量を正確に制御することができる。
以上説明した実施形態では、二重管式の凝縮装置を例示し、内側流路22に冷却水を流し、外側流路23に冷媒を通過させたが、逆に内側流路22に冷媒を通過させ、外側流路23に冷却水を流してもよい。
例えばプレート式の熱交換器の様な構造を有するものであってもよい。
即ち図12、図13に示した凝縮部82では、凝縮装置35,36の冷媒排出部たる下側の端部42の外側流路23は、排出側集合部60を経由して一本の熱媒排出流路61に集められているが、一方の凝縮装置36と排出側集合部60を結ぶ流路には、故意に立ち上げ部83が設けられている。そのため下部凝縮装置36で凝縮された液状冷媒を排出するのに要する圧力は、凝縮装置35で凝縮された液状冷媒を排出するのに要する圧力よりも高い。
そのため図12、図13に示す凝縮部82においても、液化した冷媒は、凝縮装置35を流れるものが凝縮装置36を流れるものよりも優先的に排出されていくこととなる。
そのため要求される冷熱量が少ない場合は、一方の凝縮装置36の末端部分に液化した冷媒が滞留し、もっぱら、他方の凝縮装置35を流れる冷媒が膨張手段8側に流れる。
即ち本実施形態では、凝縮装置36の末端部分が冷媒滞留部86として機能する。
例えば図14に示す凝縮部85は、凝縮装置35,36を上下に設置したものであって、冷媒配管に立ち上げ部は無いが、上部凝縮装置35で凝縮された液状冷媒の位置水頭は、下部凝縮装置36で凝縮された液状冷媒の位置水頭よりも高い。そのため上部凝縮装置35と下部凝縮装置36では、液状冷媒を排出するのに要する圧力が異なる。
本実施形態では、下部凝縮装置36の末端部分が冷媒滞留部87として機能する。
2 試験室
3 加熱器(ヒータ)
5 加湿器
6 冷凍サイクル回路
7 圧縮機
8 膨張手段
12 クーリングタワー
13 ポンプ
17 水量調整弁(冷却媒体量制御手段)
20 内管
21 外管
22 内側流路(冷却媒体通過部)
23 外側流路(冷媒通過流路)
31 冷却装置(温度調節装置)
32 凝縮部
35 上部凝縮装置
36 下部凝縮装置
45 冷却水供給口
46,47 分岐管
50,51 接続管
52 集合冷却水管
55 冷媒導入流路
56 導入側分岐部
57,58 分岐管
60 排出側集合部
61 熱媒排出流路
80,83 立ち上げ部
82 凝縮部
81,86,87 冷媒滞留部
Claims (9)
- 相変化する冷媒を使用して冷凍サイクル又はヒートポンプサイクルを実現する温度調節装置において、液冷式の凝縮部と膨張手段を備え、前記凝縮部は冷媒を通過させる冷媒通過流路と、前記冷媒を冷却するために冷却媒体を通過させる冷却媒体通過部とを有し、前記冷媒と冷却媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮するものであり、
前記凝縮部は複数の冷媒通過流路と複数の冷却媒体通過部を有し、
前記複数の冷媒通過流路は並列に接続され、複数の冷媒通過流路には液化した冷媒を排出するのに要する圧力が常に高くなる様に構成された高抵抗側流路と、液化した冷媒を排出するのに要する圧力が低い低抵抗側流路とがあり、
前記高抵抗側流路の末端側または末端側の延長上に前記高抵抗側流路で液化した冷媒を滞留させる冷媒滞留部があり、
前記冷却媒体は共通の冷却媒体供給装置から凝縮部の冷却媒体通過部に供給され、冷却媒体の通過量を制御する冷却媒体量制御手段を有し、
複数の冷却媒体通過部を通過する冷却媒体の通過量が共通の冷却媒体量制御手段で制御され、
要求される冷熱量が少ない場合は、高抵抗側流路を流れる液化した冷媒が冷媒滞留部に滞留し、もっぱら低抵抗側流路を流れる冷媒が膨張手段に流れることを特徴とする温度調節装置。 - 凝縮部は複数の水冷式の凝縮装置を回路上、並列に接続して一つの凝縮部としたものであり、前記高抵抗側流路の末端側または末端側の延長上に冷媒を排出するのに要する圧力を増加させる機能のある部位があることを特徴とする請求項1に記載の温度調節装置。
- 冷媒通過流路の一部またはその延長上に立ち上げ部があり、当該立ち上げ部で冷媒滞留部が構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度調節装置。
- 複数の冷媒通過流路が高低差をつけて配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の温度調節装置。
- 凝縮部は、一つの冷媒導入流路と一つの冷媒排出流路とを有し、前記一つの冷媒導入流路から分岐された導入側分岐部を経由してそれぞれの冷媒通過流路に冷媒が供給され、冷媒通過流路から排出された冷媒は排出側集合部を経由して前記一つの冷媒排出流路から排出され、排出側集合部は下側に配された冷媒通過流路の最下部よりも高い位置にあることを特徴とする請求項4に記載の温度調節装置。
- 排出側集合部は、上部に配された冷媒通過流路の最下部よりも低い位置にあることを特徴とする請求項5に記載の温度調節装置。
- 凝縮部は水冷式であって冷媒通過流路に隣接してそれぞれ冷却媒体通過部があり、前記冷却媒体通過部は冷媒通過流路ごとに独立しており、且つ並列に接続されてい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温度調節装置。
- 前記凝縮部は二つの同一の凝縮装置によって構成され、一方の凝縮装置が液化した冷媒を排出するのに要する圧力が常に高くなる様に構成された前記冷媒通過流路たる高抵抗側流路を構成し、他方の凝縮装置が液化した冷媒を排出するのに要する圧力が低い冷媒通過流路たる低抵抗側流路を構成し、液化した冷媒は、低抵抗側流路を流れるものの方が、高抵抗側流路を流れるものよりも優先的に排出されていくことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の温度調節装置。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の温度調節装置を備えていることを特徴とする恒温恒湿装置。
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