JP5821135B2 - 恒温液循環装置及び恒温液の温度調整方法 - Google Patents

恒温液循環装置及び恒温液の温度調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、温度調整された恒温液を負荷に供給することによって該負荷を冷却又は加熱する恒温液循環装置及び前記恒温液の温度調整方法に関するものである。
温度調整された恒温液を負荷に供給することによって該負荷を冷却又は加熱する恒温液循環装置は、例えば特許文献1に記載されているように公知である。この恒温液循環装置は、通常、図3に概略的に示すように、温度調整された恒温液を負荷40に循環的に供給する恒温液回路41と、前記恒温液を温度調整する冷凍回路42と、装置全体を制御する制御部43とを有している。
前記恒温液回路41は、前記恒温液を収容するタンク44と、該タンク44内の恒温液を負荷40に供給するポンプ45と、負荷40に供給される恒温液の温度を測定する温度センサ46とを有し、また、前記冷凍回路42は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機47と、該圧縮機47から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にするコンデンサ48と、該コンデンサ48から送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする第1電子膨張弁49と、該第1電子膨張弁49から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機47に送る蒸発器50とを有している。
そして、前記温度センサ46で測定された恒温液の温度に応じて、前記制御部43で、前記第1電子膨張弁49の開度や前記圧縮機47の回転数等を制御し、前記蒸発器50に供給される冷媒液の流量を調整することにより、前記恒温液の温度を設定温度に近づけるように調整している。
一方で、この種の恒温液循環装置においては、前記圧縮機47がオフの状態からオンになる場合、該圧縮機47の高圧側(出口側)と低圧側(入口側)との圧力差が大きいと、過負荷になって該圧縮機47を起動させることができない。このため、前記圧縮機47がオフの状態にあるとき、前記高圧側から低圧側へと冷媒が流れることによって圧力差が小さくなるような時間(均圧動作時間)をおき、そのあとで前記圧縮機47をオンさせる必要がある。この均圧時間は通常は数分間程度である。
しかし、このような均圧動作時間をおくと、その間前記冷凍回路42が稼働できないため、負荷40による恒温液の温度上昇が大きくなり、その後の該負荷40の冷却又は加熱に様々な支障を来すことになる。
そこで、前記恒温液循環装置には、前記圧縮機47の高圧側と低圧側(第1電子膨張弁49の出口側)とを結ぶバイパス流路51を設け、該バイパス流路51に第2電子膨張弁52を接続し、前記圧縮機47がオフになったとき、この第2電子膨張弁52を開放して前記圧縮機47の高圧側のガス状冷媒の一部を該圧縮機47の低圧側に流し、それによって均圧動作を速めることができるようにしている。
しかし、均圧動作のためにこのような構成にすると、前記電子膨張弁52は高価であると同時に、前記バイパス流路51の設置も必要になるため、装置のコストアップや構造の複雑化が避けられない。
特開2003−28515号公報
本発明の目的は、1つの電子膨張弁を使用した簡単な回路構成によって恒温液の温度調整と均圧動作を行うことができる、恒温液循環装置及び恒温液の温度調整方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の恒温液循環装置は、温度調整された恒温液を負荷に循環的に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路と、装置全体を制御する制御部とを有し、前記恒温液回路は、前記恒温液を収容するタンクと、該タンク内の恒温液を負荷に供給するポンプと、負荷に供給される恒温液の温度を測定する温度センサとを有し、前記冷凍回路は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にするコンデンサと、該コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする電子膨張弁と、該電子膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器とを、順次直列かつ循環回路状に接続することにより構成され、前記制御部は、前記温度センサで測定された恒温液の温度に応じて前記圧縮機をオン・オフ制御すると共に前記電子膨張弁の開度制御を行うように構成されていて、前記恒温液の温度が設定温度を上回って上限値に達したとき、前記圧縮機をオンにすることによって前記恒温液の大まかな温度調整を行うと共に、該圧縮機がオンの間、前記電子膨張弁の開度を全開時より小さい制限開放状態下において定常開度と該定常開度より大きい制御時最大開度との間で変化させることにより、前記恒温液の微細な温度調整を行い、前記恒温液の温度が設定温度を下回って前記下限値に達したとき、前記圧縮機をオフにすると共に、前記電子膨張弁の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度にして、該均圧用開度を一定時間維持したあと、前記恒温液の温度が上限値より低く且つ前記圧縮機がオフの間に前記電子膨張弁の開度前記制御時最大開度より小さい前記定常開度に復帰させて、前記圧縮機がオフの間この定常開度に維持する制御を行うように構成されたことを特徴とする。
また、本発明に係る恒温液の温度調整方法は、前記恒温液循環装置において、負荷に供給される前記恒温液の温度を温度センサで測定し、該恒温液の温度に応じて前記圧縮機をオン・オフ制御すると共に前記電子膨張弁の開度制御を行い、前記恒温液の温度が設定温度を上回って上限値に達したとき、前記圧縮機をオンにすることによって前記恒温液の大まかな温度調整を行うと共に、該圧縮機がオンの間、前記電子膨張弁の開度を全開時より小さい制限開放状態下で定常開度と該定常開度より大きい制御時最大開度との間で変化させることにより、前記恒温液の微細な温度調整を行い、前記恒温液の温度が設定温度を下回って前記下限値に達したとき、前記圧縮機をオフにすると共に、前記電子膨張弁の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度にして、該均圧用開度を一定時間維持したあと、前記恒温液の温度が上限値より低く且つ前記圧縮機がオフの間に前記電子膨張弁の開度前記制御時最大開度より小さい前記定常開度に復帰させて、前記圧縮機がオフの間この定常開度に維持する制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、恒温液の大まかな温度調整を圧縮機のオン・オフ制御により行うと共に、圧縮機がオンしているときの微細な温度調整は、電子膨張弁の開度を制限開放状態下で微細に変化させることにより行うようにし、また、前記圧縮機がオフになった時には、前記電子膨張弁の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度に一定時間保持することにより、冷凍回路内の高圧側と低圧側との圧力差を小さくして均圧化を図り、それによって次に前記圧縮機がオンになるときの過負荷を防止するようにしたので、1つの電子膨張弁だけを使用した簡単な回路構成により、冷凍回路内の均圧動作を行って前記圧縮機を安定的にオン・オフ制御すると同時に、冷媒の微細な流量調整を行って恒温液の微細な温度調整を行うことができる。
本発明に係る恒温液循環装置の一実施形態を示す構成図である。 図1の恒温液循環装置の動作タイミングチャート図である。 従来の恒温液循環装置の構成図である。
図1は本発明に係る恒温液循環装置の一実施形態を示すものである。この恒温液循環装置は、温度調整された恒温液を負荷に循環的に供給して該負荷を冷却又は加熱する恒温液回路1と、前記恒温液を冷媒との熱交換によって設定された温度に温度調整する冷凍回路2と、装置全体を制御する制御部3とを有している。
前記恒温液回路1は、前記恒温液を収容するタンク4と、該タンク4内の恒温液を前記負荷5に供給するポンプ6と、前記負荷5に供給される恒温液の温度を測定する恒温液用温度センサ7と、前記負荷5から還流する恒温液を、熱交換器8で前記冷凍回路2の冷媒と熱交換させて設定温度に調整する冷却管9とを有し、該冷却管9で温度調整された恒温液が前記タンク4に戻されるように構成されている。
前記タンク4の出口4bと前記ポンプ6の吸込口6aとは、第1供給管11により接続され、該ポンプ6の吐出口6bと前記負荷5の流入側配管13とは、第2供給管12により接続され、該第2供給管12に前記恒温液用温度センサ7が接続されている。また、前記負荷5の流出側配管14は、前記冷却管9の入口9aに通じる第1戻り管15に接続され、該冷却管9の出口9bは第2戻り管16によって前記タンク4の入口4aに接続され、該第2戻り管16に、恒温液の流量を測定するフロースイッチ17が接続されている。また、前記第1供給管11にはドレン排出管18が接続され、このドレン排出管18の一端にドレン排出ポート18aが設けられている。
一方、前記冷凍回路2は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機20と、該圧縮機20から第1配管27を通じて送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却し、高圧の液状冷媒にするコンデンサ21と、該コンデンサ21から第2配管28を通じて送られる高圧の液状冷媒を膨張させ、低温低圧の液状冷媒にする電子膨張弁22と、該電子膨張弁22から第3配管29を通じて送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を第4配管30を通じて前記圧縮機20に送る蒸発器23とを、順次直列かつ循環回路状に接続することにより構成されている。前記コンデンサ21は、電動モータ24aで駆動されるファン24bによって冷媒を冷却する空冷式のコンデンサである。
前記第2配管28には、液状冷媒の圧力を測定する冷媒用圧力センサ31が接続され、前記第3配管29には、前記電子膨張弁22の出口22aにおける液状冷媒の温度を測定する冷媒用第1温度センサ32が接続され、前記第4配管30には、前記圧縮機20に吸入されるガス状冷媒の温度を検出する冷媒用第2温度センサ33が接続されている。
前記恒温液回路1における前記ポンプ6、恒温液用温度センサ7、フロースイッチ17と、前記冷凍回路2における前記圧縮機20、コンデンサ21の電動モータ24a、電子膨張弁22、冷媒用圧力センサ31、冷媒用第1温度センサ32、冷媒用第2温度センサ33は、それぞれ前記制御部3に接続され、該制御部3によって装置全体が制御されるように構成されている。
図2には、前記制御部3によって前記恒温液の温度制御を行う場合のタイミングチャートが示されている。この制御例は、発熱する負荷5を恒温液で冷却する場合であり、以下に、このタイミングチャートに従って前記恒温液の温度制御を行う場合の作用について説明する。
先ず、時刻t0にポンプ6が起動されることによって恒温液が負荷5に供給される。このとき、前記冷凍回路2における圧縮機20はオフの状態にあり、冷媒は循環していないため、前記恒温液の冷却は行われていない。従って、負荷5に供給された前記恒温液は、該負荷5を冷却することによって熱を吸収し、設定温度T0から次第に温度が上昇する。また、前記冷凍回路2における前記電子膨張弁22の開度は、全開時より小さい制限開放状態下において、一定の開度(定常開度)O1に保たれている。
前記恒温液の温度は、前記恒温液用温度センサ7で常に測定されており、該恒温液の温度が、時刻t1に設定温度T0より一定値だけ高い上限値T1に達すると、前記圧縮機20がオンになって冷凍回路2内を冷媒が循環し、前記熱交換器8において、前記蒸発器23内を流れる冷媒と前記冷却管9内を流れる恒温液との熱交換が行われることにより、該恒温液が冷却される。このとき、前記電子膨張弁22の開度は、前記制限開放状態下において微細に制御され、それに伴って前記冷媒の流量が変化することにより、前記恒温液の微細な温度調整が行われる。図2に示す例では、実線で示すように、圧縮機20がオンになった直後に、前記電子膨張弁22の開度が、前記定常開度O1より少し大きい制御時最大開度O2に曲線的に拡大し、そのあと該開度が徐々に小さくなって最後に前記定常開度O1に等しくなるように制御されている。
これにより、前記恒温液の温度は、圧縮機20がオンになった直後に前記上限値T1を一旦上回るが、そのあと下降に転じて徐々に低下していく。
そして、前記恒温液の温度が設定温度T0を下回り、時刻t2に該設定温度T0より一定値だけ低い下限値T2に達すると、前記圧縮機20がオフになって冷凍回路2内の冷媒の循環が停止し、蒸発器23での該冷媒と前記恒温液との熱交換は中止される。また、前記圧縮機20がオフになった直後に、好ましくはオフになるのと同時に、前記電子膨張弁22の開度が、前記制御時最大開度O2より大きい均圧用開度O3に急速かつ直線的に拡大されてこの均圧用開度O3に保持され、その状態が一定時間維持されたあと、該電子膨張弁22の開度は前記定常開度O1に急速かつ直線的に戻され、その状態が維持される。
前記圧縮機20のオフにより、前記恒温液の温度は、該圧縮機20がオフになった直後に前記下限値T2を一旦下回るが、そのあと上昇に転じて徐々に上昇していく。また、前記電子膨張弁22が均圧用開度O3に保持されているとき、前記冷凍回路2内において、高圧側である前記電子膨張弁22の上流側から、低圧側である該電子膨張弁22の下流側へと冷媒が流れ、均圧動作が行われることによって前記冷凍回路2内の圧力差は短時間で小さくなる。
前記恒温液の温度が時刻t3で再び上限値に達すると、前記圧縮機20がオンになって再び該恒温液の冷却が行われるが、このとき、前記冷凍回路2内においては、前記電子膨張弁22による均圧動作によって高圧側と低圧側との圧力差は小さくなっているため、前記圧縮機20の起動時に該圧縮機20が過負荷になることなく、該圧縮機20の起動は支障なく円滑に行われる。そして、前記動作が繰り返されることにより前記恒温液の温度調整が行われ、負荷5が冷却される。
このようにして、前記恒温液の大まかな温度調整を圧縮機20のオン・オフ制御により行うと共に、圧縮機20がオンしているときの微細な温度調整は、電子膨張弁22の開度を制限開放状態下で微細に変化させることにより行い、また、前記圧縮機20がオフになった時には、前記電子膨張弁22の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度O3に一定時間保持し、冷凍回路2内の高圧側と低圧側との圧力差を小さくして均圧化を図ることにり、前記圧縮機20が再びオンになる際の過負荷を防止するようにしているので、1つの電子膨張弁22だけを使用した簡単な回路構成により、冷凍回路2内の均圧動作を行って前記圧縮機を安定的にオン・オフ制御すると同時に、冷媒の微細な流量調整を行って恒温液の微細な温度調整を行うことができる。
なお、前記実施形態においては、前記圧縮機20がオン及びオフになったときの前記電子膨張弁22の開度の制御を、何れも、該圧縮機20がオン及びオフになるのと同時に行っているが、該圧縮機20がオンになったとき及びオフになったときの少なくとも一方においては、図2に点線で示すように、該圧縮機20がオン及び/又はオフになったあと一定の時間経過後に、前記電子膨張弁22の開度の制御を行っても良い。
また、前記電子膨張弁22の開度は、必ずしも図2のような曲線に沿って変化させる必要はなく、その他の曲線に沿って変化させても良い。特に、前記電子膨張弁22の開度を均圧用開度O3に拡大させるとき、及び該均圧用開度O3から定常開度O1に縮小させるときには、該開度を傾斜する直線又は曲線に沿って拡大及び縮小させても良い。
1 恒温液回路
2 冷凍回路
3 制御部
4 タンク
5 負荷
6 ポンプ
7 温度センサ
20 圧縮機
21 コンデンサ
22 電子膨張弁
23 蒸発器
O1 定常開度
O3 均圧用開度
T0 設定温度
T1 上限値
T2 下限値

Claims (2)

  1. 温度調整された恒温液を負荷に循環的に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路と、装置全体を制御する制御部とを有し、
    前記恒温液回路は、前記恒温液を収容するタンクと、該タンク内の恒温液を負荷に供給するポンプと、負荷に供給される恒温液の温度を測定する温度センサとを有し、
    前記冷凍回路は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機から送られる高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にするコンデンサと、該コンデンサから送られる高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする電子膨張弁と、該電子膨張弁から送られる低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器とを、順次直列かつ循環回路状に接続することにより構成され、
    前記制御部は、前記温度センサで測定された恒温液の温度に応じて前記圧縮機をオン・オフ制御すると共に上記電子膨張弁の開度制御を行うように構成されていて、前記恒温液の温度が設定温度を上回って上限値に達したとき、前記圧縮機をオンにすることによって前記恒温液の大まかな温度調整を行うと共に、該圧縮機がオンの間、前記電子膨張弁の開度を全開時より小さい制限開放状態下において定常開度と該定常開度より大きい制御時最大開度との間で変化させることにより、前記恒温液の微細な温度調整を行い、前記恒温液の温度が設定温度を下回って前記下限値に達したとき、前記圧縮機をオフにすると共に、前記電子膨張弁の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度にして、該均圧用開度を一定時間維持したあと、前記恒温液の温度が上限値より低く且つ前記圧縮機がオフの間に前記電子膨張弁の開度前記制御時最大開度より小さい前記定常開度に復帰させて、前記圧縮機がオフの間この定常開度に維持する制御を行うように構成された、
    ことを特徴とする恒温液循環装置。
  2. 温度調整された恒温液を負荷に循環的に供給する恒温液回路と、前記恒温液の温度を該恒温液と冷媒との熱交換により調整する冷凍回路とを有し、該冷凍回路は、ガス状冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒にする圧縮機と、該圧縮機からの高温高圧のガス状冷媒を冷却して高圧の液状冷媒にするコンデンサと、該コンデンサからの高圧の液状冷媒を膨張させて低温低圧の液状冷媒にする電子膨張弁と、該電子膨張弁からの低温低圧の液状冷媒を前記恒温液との熱交換により蒸発させて低圧のガス状冷媒にし、この低圧のガス状冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器とを、順次直列かつ循環回路状に接続することにより構成された恒温液循環装置において、前記冷凍回路を制御して前記恒温液の温度を調整するための方法であって、
    負荷に供給される前記恒温液の温度を温度センサで測定し、該恒温液の温度に応じて前記圧縮機をオン・オフ制御すると共に前記電子膨張弁の開度制御を行い、前記恒温液の温度が設定温度を上回って上限値に達したとき、前記圧縮機をオンにすることによって前記恒温液の大まかな温度調整を行うと共に、該圧縮機がオンの間、前記電子膨張弁の開度を全開時より小さい制限開放状態下で定常開度と該定常開度より大きい制御時最大開度との間で変化させることにより、前記恒温液の微細な温度調整を行い、前記恒温液の温度が設定温度を下回って前記下限値に達したとき、前記圧縮機をオフにすると共に、前記電子膨張弁の開度を前記制限開放状態時の開度より大きい均圧用開度にして、該均圧用開度を一定時間維持したあと、前記恒温液の温度が上限値より低く且つ前記圧縮機がオフの間に前記電子膨張弁の開度前記制御時最大開度より小さい前記定常開度に復帰させて、前記圧縮機がオフの間この定常開度に維持する制御を行うことを特徴とする恒温液の温度調整方法。
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