TWI577950B - Air conditioning device and its operation method - Google Patents

Description

空氣調和裝置及其運轉方法

本發明關於空氣調和裝置及其運轉方法。

半導體製造設備中之潔淨室之室內溫度受到空氣調和裝置嚴格管理。例如設有進行光阻劑之塗布及顯像的裝置(塗布器等)之潔淨室中，有可能室內溫度要求控制在目標溫度之+0.05℃乃至-0.05℃之誤差範圍內。作為可以對應此種潔淨室的空氣調和裝置，習知有各種裝置被提案(例如參照專利文獻1)。

〔先行技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕特開2013-108652號公報

此種空氣調和裝置通常具有：將壓縮機、凝結器、膨脹閥及冷卻環管(cooling coil)依該順序進行配 管連接而使熱媒體循環的冷卻單元；及加熱用之加熱器；作為冷卻單元之壓縮機通常使用以一定之旋轉數驅動的壓縮機。因為藉由一定之旋轉數驅動的壓縮機可使冷卻單元內之熱媒體基本上以一定之流量循環，因此容易高精度進行空氣之溫度控制。

但是，以一定之旋轉數驅動的壓縮機中，在溫度控制對象的空氣之溫度低於目標溫度，即使該空氣之冷卻無需冷卻能力時乃始終以一定之旋轉數驅動。因此，存在無效率的電力消費，在省電力化上有改善之處。又，冷卻能力雖藉由膨脹閥等之開度調節而可變，但該可變範圍比較窄，存在使用條件受到限制之問題。

相對於此，家庭用等之空氣調和裝置中，大多藉由逆變器(inverter)控制壓縮機據以調節旋轉數以便以可變運轉頻率運轉，達成省電力化。此種裝置中，藉由變更運轉頻率而可在較廣範圍調節冷卻能力，因此適用各種使用條件。但是，冷卻能力依運轉頻率之變更而變動，因此不適用於高精度之溫度控制。因此，此種壓縮機雖具有省電力化等各種優點卻少被潔淨室用等空氣調和裝置採用。

本發明有鑑於此種實情，目的在於提供一種空氣調和裝置，藉由利用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機，可以達成裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件，而且可以高精度地將溫度控制對象之空氣控制於所要溫度的空氣調和裝置及其運轉方 法。

本發明之空氣調和裝置，其特徵在於具備：冷卻單元，係將以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機、凝結器、膨脹閥及冷卻環管以使熱媒體循環的方式依該順序配管連接而成；加熱單元，使由上述壓縮器流向上述凝結器的上述熱媒體之一部分分支，透過加熱環管(heating coil)及設於其下游側的加熱量調節閥而在上述壓縮機之下游側流入上述凝結器的方式使回流；空氣通流路，收容上述冷卻環管及上述加熱環管，設有將溫度控制對象之空氣取入的取入口，及將上述溫度控制對象之空氣排出的排出口；送風機，使空氣由上述取入口通流至上述排出口；第1溫度感測器，設於上述排出口；第2溫度感測器，設於中間區域(youth area)，該中間區域被供給有由上述排出口排出的空氣；壓力感測器，檢測上述冷卻環管的下游側之上述配管內之壓力；及控制單元，對上述壓縮機之運轉頻率、上述膨脹閥之開度及上述加熱量調節閥之開度進行控制；上述控制單元具有：熱媒體壓力控制部，藉由基於上述壓力感測器檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使上述壓力感測器檢測的壓力成為和上述目標壓力一致的方式對上述膨脹閥之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對上述膨脹閥之開度進行控制；加熱量控制部，依據上述第2溫度感測器 所檢測的溫度與預先設定於上述中間區域的目標中級溫度間之差分，針對通過上述排出口的上述溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分的PID運算，對上述加熱量調節閥之開度操作量進行運算以使上述第1溫度感測器所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致，對應於該開度操作量而對上述加熱量調節閥之開度進行控制；及壓縮機控制部，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及設定於10秒~30秒之間的特定時間成為大於第1臨限值時，使上述壓縮機之運轉頻率僅下降特定頻率，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，使上述壓縮機之運轉頻率僅上升上述特定頻率，據此而對上述壓縮機之旋轉數進行調節；上述加熱量控制部，係以藉由PID運算所直接運算出的上述加熱量調節閥之操作量運算值之移動平均值作為上述加熱量調節閥之開度操作量而進行運算，該PID運算係基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分而進行者，運算上述移動平均值的間隔係設為上述特定時間之1/10~6/10之間。

依據本發明可以獲得以下之作用效果。

(1)藉由採用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機，可以變更壓縮機之旋轉數。依此則，即使在設定於廣範圍的使用環境溫度及目標溫度(目標中級溫度、 目標源溫度)之條件下，可以藉由單一之壓縮機將溫度控制對象之空氣之溫度控制為目標溫度可以獲得極廣範圍之冷卻能力。又，冷卻能力無需如此設定時，藉由下降運轉頻率可以實現省電力化。因此，可以實現裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件。

(2)加熱單元採用使由壓縮器流向凝結器的熱媒體之一部分分支，透過加熱環管及設於其下游側的加熱量調節閥而在壓縮機之下游側流入凝結器的方式使回流之構成。依此則，可以提升目標溫度之控制精度之同時，藉由加熱量調節閥之簡單化可以實現裝置全體之簡單化。

亦即，若和本發明不同而在加熱環管之上流側設置流量之調節用閥時，該閥係對來自壓縮機之高溫而且高壓之氣體狀態之熱媒體進行控制。和液體狀態之熱媒體之流量控制比較，氣體狀態之熱媒體之流量控制更難以高精度進行。而且，需要能耐高溫而且高壓狀態之熱媒體的重厚之構造。相對於此，本發明中，藉由將加熱量調節閥設於加熱環管之下游側，加熱量調節閥可以對通過加熱環管後之液化狀態的熱媒體之流量進行控制。而且，該熱媒體之溫度降低，因此加熱量調節閥即使是較簡易構造亦能耐熱媒體之溫度。因此，可以提升目標溫度之控制精度之同時，藉由加熱量調節閥之簡單化可以實現裝置全體之簡單化。

(3)又，藉由使通過加熱環管的熱媒體之一部分回流至壓縮機下游側(凝結器上流側)的構成，則通過加熱環管後之液化狀態的熱媒體回流至凝結器。如此則，可以 防止通過加熱環管後之液化狀態的熱媒體流入壓縮機，裝置可以順暢運轉，結果，可以提高目標溫度之控制精度。

亦即，若和本發明不同而在通過加熱環管後之液化狀態的熱媒體流入壓縮機時，將產生所謂液體回流(liquid back)現象。此種液體回流現象中，被供給至被供給至壓縮機內之可動部分的潤滑油會流出，有可能產生燒灼。又，壓縮機壓縮液體，有可能損及壓縮機運轉之穩定性。相對於此，本發明中，熱媒體回流至壓縮機之下游側，可以防止壓縮機內之構件之燒灼或壓縮機運轉變為不穩定，因此裝置可以順暢運轉，結果，可以提高目標溫度之控制精度。

(4)又，熱媒體壓力控制部，係藉由基於壓力感測器檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使壓力感測器檢測的壓力成為和目標壓力一致的方式對膨脹閥之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對上述膨脹閥之開度進行控制。依此則，可使由冷卻環管流出的熱媒體之溫度穩定，可以穩定冷卻能力。因此，可以提高對目標溫度之控制精度。

(5)又，加熱量調整部，係依據第2溫度感測器所檢測的溫度與預先設定於中間區域的目標中級溫度間之差分，針對通過排出口的溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於第1溫度感測器所檢測的溫度與目標源溫度間之差分的PID運算，對加熱量調節閥之開度操作量進行運算以使第1溫度感測器所檢測的溫度成為和目標 源溫度一致，對應於該開度操作量而對上述加熱量調節閥之開度進行控制。依此則，藉由將通過排出口的溫度控制對象之空氣到達到達中間區域時之外來亂流及響應性之影響納入考慮，可以獲得正確的加熱量調節閥之開度操作量，以便藉由溫度控制對象之空氣將中間區域之溫度控制成為目標中級溫度。因此，可以提高對目標溫度(目標中級溫度)之控制精度。

(6)又，壓縮機控制部，當加熱量調節閥之開度操作量在遍及特定時間成為大於第1臨限值時，使壓縮機之運轉頻率僅下降特定頻率，當加熱量調節閥之開度操作量在遍及特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，使壓縮機之運轉頻率僅上升特定頻率，據此而對壓縮機之旋轉數進行調節。依此則，當加熱量調節閥之開度操作量在遍及特定時間成為大於第1臨限值時，判定為冷卻能力過剩，使壓縮機之運轉頻率下降，降低旋轉數降低冷卻能力。又，當加熱量調節閥之開度操作量在遍及特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，判定為冷卻能力不足，提升壓縮機運轉頻率提升旋轉數可以提升冷卻能力。如此則，可以對溫度控制對象之空氣進行適當的溫度控制。

尤其是，是否上升/下降壓縮機運轉頻率，係依據加熱量調節閥之開度操作量之特定時間中之行為，等待特定時間之經過而進行判定，因此壓縮機運轉頻率呈階段式上升下降，可以防止運轉頻率急速變更。依此則，可以抑制 運轉頻率之變更引起的冷卻能力及加熱能力之變動所造成外來亂流之影響，因此可以提高對目標溫度之控制精度。

如上述說明，依據本發明，藉由利用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機，可以達成裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件，而且可以高精度地將溫度控制對象之空氣控制於所要之溫度。

本發明的空氣調和裝置可以另具備：加濕裝置，設於上述空氣通流路中之上述加熱環管之下游側，對上述溫度控制對象之空氣之濕度進行調節；及濕度感測器，設於上述排出口；上述控制單元另具有：加濕控制部，係藉由基於上述濕度感測器檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使上述濕度感測器檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式針對上述加濕裝置之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置進行控制。

又，本發明之空氣調和裝置之運轉方法，該空氣調和裝置具備：冷卻單元，係將以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機、凝結器、膨脹閥及冷卻環管以使熱媒體循環的方式依該順序配管連接而成；加熱單元，使由上述壓縮器流向上述凝結器的上述熱媒體之一部分分支，透過加熱環管及設於其下游側的加熱量調節閥而在上述壓縮機之下游側流入上述凝結器的方式使回流；空氣通流路，收容上述冷卻環管及上述加熱環管，設有將溫度控制對象之空氣取入的取入口，及將上述溫度控制對象之空 氣排出的排出口；送風機，使空氣由上述取入口通流至上述排出口；第1溫度感測器，設於上述排出口；及第2溫度感測器，設於中間區域，該中間區域被供給有由上述排出口排出的空氣；其特徵在於具備：熱媒體壓力控制工程，藉由基於壓力感測器檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，該壓力感測器係用於檢測上述空氣通流路中之上述冷卻環管的下游側之上述配管內之壓力者，以使上述壓力感測器檢測的壓力成為和上述目標壓力一致的方式對上述膨脹閥之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對上述膨脹閥之開度進行控制；加熱量控制工程，依據上述第2溫度感測器所檢測的溫度與預先設定於上述中間區域的目標中級溫度間之差分，針對通過上述排出口的上述溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分的PID運算，對上述加熱量調節閥之開度操作量進行運算以使上述第1溫度感測器所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致，對應於該開度操作量而對上述加熱量調節閥之開度進行控制；及壓縮機控制工程，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及設定於10秒~30秒之間的特定時間成為大於第1臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅下降特定頻率，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第 1臨限值小的第2臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅上升上述特定頻率，據此而對上述壓縮機之旋轉數進行調節；上述加熱量控制工程中，係以藉由PID運算所直接運算出的上述加熱量調節閥之操作量運算值之移動平均值作為上述加熱量調節閥之開度操作量而進行運算，該PID運算係基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分而進行者，運算上述移動平均值的間隔係設為上述特定時間之1/10~6/10之間。

本發明的空氣調和裝置之運轉方法中可以是，於上述空氣調和裝置，在上述空氣通流路中之上述加熱環管之下游側設有對上述溫度控制對象之空氣之濕度進行調節的加濕裝置；該方法另具備：加濕控制工程，係藉由基於設於上述排出口的濕度感測器所檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使上述濕度感測器檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式針對上述加濕裝置之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置進行控制。

依據本發明，藉由利用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機，可以達成裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件，而且可以高精度地 將溫度控制對象之空氣控制於所要溫度。

1‧‧‧空氣調和裝置

10‧‧‧冷卻單元

11‧‧‧壓縮機

12‧‧‧凝結器

13‧‧‧膨脹閥

14‧‧‧冷卻環管

15‧‧‧配管

15A‧‧‧配管

20‧‧‧加熱單元

21‧‧‧加熱環管

22‧‧‧加熱量調節閥

25‧‧‧供給管

26‧‧‧回流配管

30‧‧‧空氣通流路

31‧‧‧取入口

32‧‧‧排出口

41‧‧‧第1溫度感測器

42‧‧‧濕度感測器

43‧‧‧第2溫度感測器

44‧‧‧壓力感測器

50‧‧‧控制單元

51‧‧‧加熱量控制部

52‧‧‧壓縮機控制部

53‧‧‧熱媒體壓力控制部

54‧‧‧加濕控制部

55‧‧‧第1脈衝轉換器

56‧‧‧第2脈衝轉換器

60‧‧‧送風機

70‧‧‧加濕裝置

U‧‧‧中間區域

A‧‧‧空氣之流向

〔圖1〕本發明一實施形態之空氣調和裝置之概略圖。

〔圖2〕圖1之空氣調和裝置之控制單元之方塊圖。

〔圖3〕加熱量調節閥之開度操作量之模樣及對應於該開度操作量被控制的壓縮機運轉頻率之模樣說明之圖表。

以下參照添附圖面詳細說明本發明一實施形態。圖1係本發明一實施形態之空氣調和裝置1之概略圖。本實施形態之空氣調和裝置1，例如用於對進行光阻劑之塗布及顯像的裝置供給溫度被控制的空氣，而將裝置內溫度維持於一定。

首先，說明本實施形態之空氣調和裝置1之概略構成。

如圖1所示，該空氣調和裝置1具備：冷卻單元10，係使以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機11、凝結器12、膨脹閥13及冷卻環管14以使熱媒體循環的方式依該順序藉由配管15連接；加熱單元20，使由壓縮器11流向凝結器12的上述熱媒體之一部分分 支，通過加熱環管21及設於其下游側的加熱量調節閥22而在壓縮機11之下游側以流入凝結器12的方式回流；空氣通流路30，收容冷卻環管14及加熱環管21，設有將溫度控制對象之空氣取入的取入口31及將溫度控制對象之空氣排出的排出口32；送風機60，使空氣由取入口31至排出口32進行通流；設於排出口32的第1溫度感測器41；設於中間區域U的第2溫度感測器43，該中間區域U被供給有由排出口32排出之空氣；壓力感測器44，檢測冷卻環管14之下游側之配管內之壓力；及控制單元50，對壓縮機11之運轉頻率、膨脹閥13之開度及加熱量調節閥22之開度等進行控制。

又，本實施形態之空氣調和裝置1另具備：設於排出口32的濕度感測器42；及加濕裝置70，設於空氣通流路30中之加熱環管21與送風機60之間亦即加熱環管21之下游側，對溫度控制對象之空氣之濕度進行調節。濕度感測器42檢測的濕度被輸入控制單元50。控制單元50，依據濕度感測器42檢測的濕度對加濕裝置70進行調節，而將溫度控制對象之空氣之濕度控制成為所要之濕度。

又，圖示之方便上，圖1中圖示第1溫度感測器41及加濕感測器42由排出口32分離，第1溫度感測器41及加濕感測器42係以可以檢測通過排出口32的空氣之溫度或濕度的任意態樣配置。

圖1中圖示的複數個箭頭A係表示空氣之流 向。如箭頭A所示，該空氣調和裝置1中，由空氣通流路30之取入口31取入的溫度控制對象之空氣，在通過冷卻環管14及加熱環管21之後，由排出口32被排出。由排出口32排出空氣係被供給至中間區域U。本實施形態中，送風機60設於空氣通流路30中之加熱環管21與排出口32之間(圖1之例在排出口32之附近)，通過加熱環管21的空氣係藉由送風機60由排出口32排出至中間區域U。

中間區域U，例如係進行光阻劑之塗布及顯像的裝置(塗布器等)之內部空間等。

該空氣調和裝置1中，溫度控制對象之空氣係藉由冷卻環管14冷卻，藉由加熱環管21進行加熱，使中間區域U之溫度朝向預先設定的目標中級溫度而進行控制。冷卻環管14之冷卻能力對應於壓縮器11之運轉頻率及/或膨脹閥13之開度而可以調節，加熱環管21之加熱能力對應於壓縮器11之運轉頻率及/或加熱量調節閥22之開度而可以調節。彼等冷卻能力及加熱能力之調節，係藉由上述控制單元50對壓縮機11之運轉頻率、膨脹閥13之開度及加熱量調節閥21之開度進行調節而進行。

以下，詳細說明空氣調和裝置1之各構成。

冷卻單元10中，壓縮機11將由冷卻環管14流出的低溫而且低壓之氣體狀態之熱媒體壓縮，成為高溫(例如80℃)而且高壓之氣體狀態，供給至凝結器12。壓縮機11係以可變運轉頻率運轉且對應於運轉頻率可以 調節旋轉數的逆變器壓縮機。壓縮機11中，運轉頻率越高可以將更多之熱媒體供給至凝結器12。壓縮機11較好是採用一體具有逆變器與馬達的渦卷式壓縮機。但是，只要是藉由逆變器調節運轉頻率進而調節旋轉數使熱媒體之供給量(流量)可以調節即可，壓縮機11之形式未特別限定。

凝結器12係藉由冷卻水冷卻經由壓縮器11壓縮的熱媒體之同時使凝結，使成為特定之冷卻溫度(例如40℃)之高壓之液體狀態，供給至膨脹閥13。凝結器12之冷卻水可以使用水或其他冷媒。又，膨脹閥13使凝結器12所供給的熱媒體膨脹減壓，成為低溫(例如2℃)而且低壓之氣液混合狀態，供給至冷卻環管14。冷卻環管14係將供給的熱媒體與溫度控制對象之空氣進行熱交換使空氣冷卻。與空氣進行熱交換後之熱媒體成為低溫而且低壓之氣體狀態而由冷卻環管14流出再度被壓縮器11壓縮。

此種冷卻單元10中，藉由變化壓縮器11之運轉頻率調節旋轉數，可以對供給至凝結器12的熱媒體之供給量進行調節之同時，可以調節膨脹閥13之開度，可以調節供給至冷卻環管14的熱媒體之供給量。藉由此種調節使冷卻能力成為可變。

又，加熱單元20中，加熱環管21具有熱媒體入口與熱媒體出口。熱媒體入口和壓縮器11與凝結器12之間之配管15A之上流側係藉由供給管25連接。又， 熱媒體出口和配管15A之下游側係藉由回流管26連接。又，於回流管26設有加熱量調節閥22。依此則，加熱單元20可使由壓縮器11流向凝結器12的熱媒體之一部分分支，透過加熱環管21及加熱量調節閥22以流入凝結器12的方式回流。

該加熱單元20中，經由壓縮器11壓縮的高溫(例如80℃)而且高壓之氣體狀態之熱媒體係被供給至加熱環管21。加熱環管21將被供給的熱媒體與溫度控制對象之空氣進行熱交換而加熱空氣。與空氣進行熱交換的熱媒體係由加熱環管21透過回流管26回流至配管15A。於此，加熱量調節閥22針對由加熱環管21回流至配管15A之熱媒體之回流量進行調節，而可以變更加熱環管21中之加熱能力。熱媒體之回流量越多加熱能力越增加。

圖2係控制單元50之方塊圖。如圖2所示，本實施形態中之控制單元50具有：對加熱量調節閥22之開度進行控制的加熱量控制部51；對壓縮機11之運轉頻率進行控制的壓縮機控制部52；對膨脹閥13之開度進行控制的熱媒體壓力控制部53；對加濕裝置70進行控制的加濕控制部54；連接於加熱量控制部51的第1脈衝轉換器55；及連接於熱媒體壓力控制部53的第2脈衝轉換器56。於該控制單元50被輸入中間區域U之目標溫度亦即目標中級溫度、冷卻單元10中之熱媒體之目標壓力及溫度控制對象之空氣之目標濕度。

加熱量控制部51係依據第2溫度感測器43所檢測的溫度與預先設定於中間區域U的目標中級溫度之差分，針對通過排出口32的溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於第1溫度感測器41所檢測的溫度與上述目標源溫度之差分的PID運算，以使第1溫度感測器41所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致的方式而對加熱量調節閥22之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對加熱量調節閥22之開度進行控制(PID控制)。開度操作量意味著加熱量調節閥22之開度，意味著全閉時為0%，全開時為100%之值。

詳言之，本實施形態中之加熱量控制部51，係將運算出的開度操作量輸出至第1脈衝轉換器55，第1脈衝轉換器55運算出和開度操作量對應的脈衝信號並輸出至加熱量調節閥22。依此則，加熱量調節閥22之開度被調節成為運算的開度操作量。又，圖示雖省略，加熱量調節閥22係藉由和來自第1脈衝轉換器55之脈衝信號對應被驅動的步進馬達來調節該開度。又，上述目標源溫度係指溫度控制對象之空氣被供給至中間區域U時，欲將中間區域U之溫度設為目標中級溫度時的溫度。目標源溫度與目標中級溫度之關係，可以依據空氣調和裝置1與中間區域U之位置關係等，藉由運算或實驗加以界定。

又，本實施形態中之加熱量控制部51，係藉由基於第1溫度感測器41所檢測的溫度與目標源溫度之差分的PID運算直接對加熱量調節閥22之操作量運算值 進行運算之後，以該操作量運算值之移動平均值作為加熱量調節閥22之上述開度操作量而進行運算。

藉由PID運算直接運算出的操作量運算值，依時系列觀察時有可能以包含多個高次諧波的方式進行運算。以包含觀察到之此種高次諧波的操作量運算值作為實際之操作量使用時，控制系有可能紊亂。因此，本實施形態中，為了抑制包含觀察到的高次諧波之操作量運算值之影響，而以操作量運算值之移動平均值作為加熱量調節閥22之上述開度操作量進行運算。依此則，可以達成控制之穩定化。

接著，當加熱量調節閥22之上述開度操作量在遍及特定時間成為大於第1臨限值時，壓縮機控制部52使壓縮機11之運轉頻率僅下降特定頻率，當加熱量調節閥22之上述開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，壓縮機控制部52使壓縮機11之運轉頻率僅上升上述特定頻率，據此而對壓縮機11之旋轉數進行調節。

依據此種壓縮機控制部52，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間大於第1臨限值時，判定為冷卻能力過剩，降低壓縮機11之運轉頻率降低旋轉數而可以降低冷卻能力。又，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，判定為冷卻能力不足，上升壓縮機11之運轉頻率上升旋轉數而可以提升冷卻能力。如此則，可對溫度控 制對象之空氣進行適當的溫度控制。

於此，本實施形態中之壓縮機控制部52針對是否上升/下降壓縮機11之運轉頻率的判定，係依據加熱量調節閥22之開度操作量之特定時間中之行為並等待特定時間經過後進行。此種處理不會頻繁變化壓縮機11之運轉頻率，可以抑制因冷卻能力及加熱能力之變化所造成控制系受到外來亂流之影響，可以提高控制精度。上述「特定時間」係指依據空氣調和裝置1之特性可以變化之值，將壓縮機11之運轉頻率不會頻繁變化，而且成為目標中級溫度之實用性的到達時間納入考慮，例如設為10秒~30秒，較佳為15秒~25秒，更佳為20秒等。

又，如上述說明，加熱量控制部51係以直接運算的操作量運算值之移動平均值作為開度操作量進行運算，運算該移動平均值時之間隔成為小於上述「特定時間」的時間。例如運算移動平均值之間隔可以設為上述「特定時間」之1/10~6/10等範圍。具體言之，本實施形態中之加熱量控制部51，係以藉由PID運算直接運算出的加熱量調節閥22之操作量運算值之移動平均值作為加熱量調節閥22之開度操作量而進行運算，該PID運算係基於第1溫度感測器41所檢測的溫度與目標源溫度之差分者，運算上述移動平均值的間隔設為上述「特定時間」之1/10~6/10之間。

又，藉由壓縮機控制部52之控制，隨住朝目標中級溫度之控制變為穩定，加熱量調節閥22之開度朝 向上述「第1臨限值」與「第2臨限值」之間被收斂。於此種收斂中，就省電力化之觀點而言加熱量調節閥22之開度為較大值時較不好。因此，「第1臨限值」與「第2臨限值」雖為可以依空氣調和裝置1之特性而變化之值，在將加熱量調節閥22之開度為全開之狀態設為100%時，以設定於5~30%之間為較佳。

另外，就抑制冷卻能力及加熱能力之變化造成控制系受到外來亂流之影響觀點而言，加熱量控制部51對應於開度操作量而使壓縮機11之運轉頻率上升/下降的「特定頻率」以較小的值為較佳。該「特定頻率」雖為依空氣調和裝置1之特性及壓縮機11之馬達之型式而可變之值，若將壓縮機11之運轉頻率不頻繁變化，而且將到達目標中級溫度之實用性到達時間納入考慮，則以例如1Hz~4Hz左右為較佳。

於此，圖3係說明藉由壓縮機控制部52進行壓縮機11之運轉頻率之控制之一例之圖表。圖3中，圖中上側之圖表表示加熱量控制部51之開度操作量之時間變化，圖中下側之圖表表示和開度操作量對應的壓縮機11之運轉頻率之時間變化。

圖3中，在加熱量調節閥22之開度操作量遍及特定時間L成為大於第1臨限值Th1的時點P1，壓縮機11之運轉頻率僅下降特定頻率。又，在加熱量調節閥22之開度操作量遍及特定時間L成為小於第2臨限值Th2的時點P2，壓縮機11之運轉頻率僅上升特定頻率。如圖 3所示，本實施形態中壓縮機11之運轉頻率在涵蓋較長的時間呈階段式變化。

接著，熱媒體壓力控制部53係藉由基於壓力感測器44檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使壓力感測器44檢測的壓力成為和成為和上述目標壓力一致的方式對膨脹閥13之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對膨脹閥13之開度進行控制(PID控制)。

詳言之，本實施形態中之熱媒體壓力控制部53係將運算的開度操作量輸出至第2脈衝轉換器56，第2脈衝轉換器56對和開度操作量對應的脈衝信號進行運算，並輸出至膨脹閥13。依此則，膨脹閥13之開度被調節而成為運算的開度操作量。又，圖示雖省略，膨脹閥13係藉由對應於來自第2脈衝轉換器56之脈衝信號被驅動的步進馬達，對該開度進行調節。

又，加濕控制部54，係藉由基於濕度感測器42檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使濕度感測器42檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式對加濕裝置70之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置70進行控制(PID控制)。加濕裝置70，例如具有加熱器，及貯存經由加熱器加熱的水之槽。該情況下，加熱器對應於加濕操作量被控制。

接著，說明本實施形態之空氣調和裝置1之 動作。

本實施形態之空氣調和裝置1中，首先，於控制單元50被輸入中間區域U之目標溫度亦即目標中級溫度，冷卻單元10中之熱媒體之目標壓力，及溫度控制對象之空氣之目標濕度。又，藉由送風機60被驅動，使空氣通流路30內之空氣朝排出口32側流動，使溫度控制對象之空氣由空氣通流路30之取入口31被取入。另外，冷卻單元10之壓縮機11亦被驅動。

由空氣通流路30之取入口31取入的空氣，首先，通過冷卻環管14，之後通過加熱環管21。之後，該空氣藉由加濕裝置70加濕之後，由排出口32排出，回至中間區域U。此時，由排出口32被排出的空氣，其溫度藉由第1溫度感測器41檢測，濕度則由濕度感測器42檢測。又，中間區域U之溫度藉由第2溫度感測器43檢測，冷卻環管14之下游側之熱媒體之壓力亦藉由壓力感測器44檢測。第1溫度感測器41將檢測的溫度輸出至控制單元50，濕度感測器42將檢測的濕度輸出至控制單元50。第2溫度感測器43將檢測的溫度輸出至控制單元50，壓力感測器44將檢測的壓力輸出至控制單元50。

控制單元50中，加熱量控制部51係依據第2溫度感測器43所檢測的溫度與預先設定於中間區域U的目標中級溫度之差分，而對通過排出口32的溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於第1溫度感測器41所檢測的溫度與上述目標源溫度之差分的PID運 算，以使第1溫度感測器41所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致的方式對加熱量調節閥22之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對加熱量調節閥22之開度進行控制。

又，當加熱量調節閥22之上述開度操作量在遍及特定時間成為大於第1臨限值時，壓縮機控制部52使壓縮機11之運轉頻率僅下降特定頻率，當加熱量調節閥22之上述開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，係使壓縮機11之運轉頻率僅上升上述特定頻率，而對壓縮機11之旋轉數進行調節。

又，熱媒體壓力控制部53係藉由基於壓力感測器44檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使壓力感測器44檢測的壓力成為和上述目標壓力一致的方式對膨脹閥13之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對膨脹閥13之開度進行控制。

另外，加濕控制部54係藉由基於濕度感測器42檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使濕度感測器42檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式對加濕裝置70之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置70進行控制。

藉由上述加熱量控制部51、壓縮機控制部52、熱媒體壓力控制部53及加濕控制部54之控制，使中間區域U之溫度被控制成為朝向目標中級溫度之同時，使 空氣之濕度被控制成為朝向目標濕度。

依據以上說明的本實施形態之空氣調和裝置1，藉由採用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機11，可以變更壓縮機11之旋轉數。依此則，即使在設定於廣範圍的使用環境溫度及目標溫度(目標中級溫度、目標源溫度)之條件下，亦可以藉由單一之壓縮機11將溫度控制對象之空氣之溫度控制為目標溫度而可以獲得極廣範圍之冷卻能力。又，冷卻能力無需如此設定時，藉由下降運轉頻率可以實現省電力化。因此，可以實現裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件。

又，加熱單元20採用使由壓縮器11流向凝結器12的熱媒體之一部分分支，通過加熱環管21及設於其下游側的加熱量調節閥22而在壓縮機11之下游側以流入凝結器12的方式回流之構成。依此則，可以提升朝目標溫度之控制精度之同時，藉由加熱量調節閥22之簡單化可以實現裝置全體之簡單化。

亦即，不同於本實施形態，而在加熱環管21之上流側設置流量之調節用閥時，該閥對來自壓縮機11之高溫而且高壓之氣體狀態之熱媒體進行控制。和液體狀態之熱媒體之流量控制比較，氣體狀態之熱媒體之流量控制難以高精度進行。而且，需要能耐高溫而且高壓狀態之熱媒體的重厚之構造。相對於此，本實施形態中，藉由將加熱量調節閥22設於加熱環管21之下游側，加熱量調節閥22可以控制通過加熱環管21後之液化狀態的熱媒體之 流量。而且，該熱媒體之溫度減低，因此加熱量調節閥22即使是較簡易構造亦能耐熱媒體之溫度。因此，可以提升朝目標溫度之控制精度之同時，藉由加熱量調節閥22之簡單化可以實現裝置全體之簡單化。

又，依據使通過加熱環管21的熱媒體之一部分回流至壓縮機11之下游側(凝結器12之上流側)的構成，可使通過加熱環管21後之液化狀態的熱媒體回流至凝結器12。依此則，可以防止通過加熱環管21後之液化狀態的熱媒體流入壓縮機11，裝置可以順暢運轉，結果可以提高對目標溫度之控制精度。

亦即，不同於本實施形態，而使通過加熱環管21後之液化狀態的熱媒體流入壓縮機11時，會產生所謂液體回流現象。此種液體回流現象中，導致被供給至壓縮機11內之可動部分的潤滑油流出，有可能產生燒灼。又，壓縮機11對液體進行壓縮，而有可能損及壓縮機11之運轉穩定性。相對於此，本實施形態中，藉由使熱媒體回流至壓縮機11之下游側，可以防止壓縮機11內之構件之燒灼或壓縮機11之運轉變為不穩定，因此裝置可以順暢運轉，結果可以提高對目標溫度之控制精度。

又，加熱量調整部51係依據第2溫度感測器43所檢測的溫度與預先設定於中間區域U的目標中級溫度之差分，對通過排出口32的溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於第1溫度感測器41所檢測的溫度與目標源溫度之差分的PID運算，以使第1溫度感 測器41所檢測的溫度成為和目標源溫度一致的方式對加熱量調節閥22之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對加熱量調節閥22之開度進行控制。依此則，藉由將通過排出口32的溫度控制對象之空氣到達中間區域U時之外來亂流及響應性之影響納入考慮，可以獲得正確的加熱量調節閥22之開度操作量，可以藉由溫度控制對象之空氣使中間區域U之溫度控制成為目標中級溫度。因此，可以提高對目標溫度(目標中級溫度)之控制精度。

又，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間L成為大於第1臨限值Th1時，壓縮機控制部52係使壓縮機11之運轉頻率僅下降特定頻率，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間L變為小於較第1臨限值Th1小的第2臨限值Th2時，係使壓縮機11之運轉頻率僅上升特定頻率，如此而對壓縮機11之旋轉數進行調節。依此則，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間L成為大於第1臨限值Th1時，判定為冷卻能力過剩，降低壓縮機11之運轉頻率降低旋轉數而可以降低冷卻能力。又，當加熱量調節閥22之開度操作量在遍及特定時間L變為小於較第1臨限值Th1小的第2臨限值Th2時，判定為冷卻能力不足，上升壓縮機11之運轉頻率上升旋轉數而可以提升冷卻能力。如此則，可以對溫度控制對象之空氣進行適當的溫度控制。

尤其是，壓縮機11之運轉頻率上升/下降與否，係依據加熱量調節閥22之開度操作量在特定時間L 中之行為並等待特定時間L之經過來進行判定，因此壓縮機11之運轉頻率呈階段式上升/下降，可以防止運轉頻率急速變更。依此則，可以抑制運轉頻率之變更引起的冷卻能力及加熱能力之變動所造成外來亂流之影響。因此，可以提高對目標溫度之控制精度。

又，熱媒體壓力控制部53，係藉由基於壓力感測器44檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使壓力感測器44檢測的壓力成為和目標壓力一致的方式而對膨脹閥13之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對膨脹閥13之開度進行控制。依此則，可以使由冷卻環管14流出的熱媒體之溫度穩定，因此冷卻能力穩定。因此，可以提高對目標溫度之控制精度。

以上之結果，依據本實施形態，藉由利用以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機11，可以實現裝置之小型化、簡單化及省電力化而且可以擴大使用條件，而且可以高精度地將溫度控制對象之空氣控制於所要之溫度。本件發明者確認在某些條件下，運轉本實施形態之空氣調和裝置1時，可以將中間區域U之溫度控制於目標中級溫度之+0.03℃乃至-0.03℃之誤差範圍內。

以上，雖說明本發明一實施形態，但本發明不限定於上述實施形態。

1‧‧‧空氣調和裝置

10‧‧‧冷卻單元

11‧‧‧壓縮機

12‧‧‧凝結器

13‧‧‧膨脹閥

14‧‧‧冷卻環管

15‧‧‧配管

15A‧‧‧配管

20‧‧‧加熱單元

21‧‧‧加熱環管

22‧‧‧加熱量調節閥

25‧‧‧供給管

26‧‧‧回流配管

30‧‧‧空氣通流路

31‧‧‧取入口

32‧‧‧排出口

41‧‧‧第1溫度感測器

42‧‧‧濕度感測器

43‧‧‧第2溫度感測器

44‧‧‧壓力感測器

50‧‧‧控制單元

60‧‧‧送風機

70‧‧‧加濕裝置

U‧‧‧中間區域

A‧‧‧空氣之流向

Claims (4)

1. 一種空氣調和裝置，其特徵在於：具備：冷卻單元，係將以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機、凝結器、膨脹閥及冷卻環管以使熱媒體循環的方式依該順序配管連接而成；加熱單元，使由上述壓縮器流向上述凝結器的上述熱媒體之一部分分支，透過加熱環管及設於其下游側的加熱量調節閥而在上述壓縮機之下游側流入上述凝結器的方式使回流；空氣通流路，收容上述冷卻環管及上述加熱環管，設有將溫度控制對象之空氣取入的取入口，及將上述溫度控制對象之空氣排出的排出口；送風機，使空氣由上述取入口通流至上述排出口；第1溫度感測器，設於上述排出口；第2溫度感測器，設於中間區域，該中間區域被供給有由上述排出口排出的空氣；壓力感測器，檢測上述冷卻環管的下游側之上述配管內之壓力；及控制單元，對上述壓縮機運轉頻率、上述膨脹閥之開度及上述加熱量調節閥之開度進行控制；上述控制單元具有：熱媒體壓力控制部，藉由基於上述壓力感測器檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，以使上 述壓力感測器檢測的壓力成為和上述目標壓力一致的方式對上述膨脹閥之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對上述膨脹閥之開度進行控制；加熱量控制部，依據上述第2溫度感測器所檢測的溫度與預先設定於上述中間區域的目標中級溫度間之差分，針對通過上述排出口的上述溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分的PID運算，對上述加熱量調節閥之開度操作量進行運算以使上述第1溫度感測器所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致，對應於該開度操作量而對上述加熱量調節閥之開度進行控制；及壓縮機控制部，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及設定於10秒~30秒之間的特定時間成為大於第1臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅下降特定頻率，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅上升上述特定頻率，據此而對上述壓縮機之旋轉數進行調節；上述加熱量控制部，係以藉由PID運算所直接運算出的上述加熱量調節閥之操作量運算值之移動平均值作為上述加熱量調節閥之開度操作量而進行運算，該PID運算係基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分而進行者，運算上述移動平均值的間隔係設為上述特定時間之1/10~6/10之間。
2. 如請求項1之空氣調和裝置，其中另具備：加濕裝置，設於上述空氣通流路中之上述加熱環管之下游側，對上述對溫度控制對象之空氣之濕度進行調節；及濕度感測器，設於上述排出口；上述控制單元另具有：加濕控制部，係藉由基於上述濕度感測器檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使上述濕度感測器檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式針對上述加濕裝置之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置進行控制。
3. 一種空氣調和裝置之運轉方法，該空氣調和裝置具備：冷卻單元，係將以可變運轉頻率運轉且可調節旋轉數的壓縮機、凝結器、膨脹閥及冷卻環管以使熱媒體循環的方式依該順序配管連接而成；加熱單元，使由上述壓縮器流向上述凝結器的上述熱媒體之一部分分支，透過加熱環管及設於其下游側的加熱量調節閥而在上述壓縮機之下游側流入上述凝結器的方式使回流；空氣通流路，收容上述冷卻環管及上述加熱環管，設有將溫度控制對象之空氣取入的取入口，及將上述溫度控制對象之空氣排出的排出口；送風機，使空氣由上述取入口通流至上述排出口；第1溫度感測器，設於上述排出口；及第2溫度感測器，設於中間區域，該中間區域被供給有由上述排出口排出的空氣；其特徵在於： 具備：熱媒體壓力控制工程，藉由基於壓力感測器檢測的壓力與預先設定的目標壓力間之差分的PID運算，該壓力感測器係用於檢測上述空氣通流路中之上述冷卻環管的下游側之上述配管內之壓力者，以使上述壓力感測器檢測的壓力成為和上述目標壓力一致的方式對上述膨脹閥之開度操作量進行運算，對應於該開度操作量而對上述膨脹閥之開度進行控制；加熱量控制工程，依據上述第2溫度感測器所檢測的溫度與預先設定於上述中間區域的目標中級溫度間之差分，針對通過上述排出口的上述溫度控制對象之空氣之目標源溫度進行設定，藉由基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分的PID運算，對上述加熱量調節閥之開度操作量進行運算以使上述第1溫度感測器所檢測的溫度成為和上述目標源溫度一致，對應於該開度操作量而對上述加熱量調節閥之開度進行控制；及壓縮機控制工程，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及設定於10秒~30秒之間的特定時間成為大於第1臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅下降特定頻率，當上述加熱量控制部運算的上述加熱量調節閥之開度操作量在遍及上述特定時間成為小於較第1臨限值小的第2臨限值時，使上述壓縮機運轉頻率僅上升上述特定頻率，據此而對上述壓縮機之旋轉數進行調節； 上述加熱量控制工程中，係以藉由PID運算所直接運算出的上述加熱量調節閥之操作量運算值之移動平均值作為上述加熱量調節閥之開度操作量而進行運算，該PID運算係基於上述第1溫度感測器所檢測的溫度與上述目標源溫度間之差分而進行者，運算上述移動平均值的間隔係設為上述特定時間之1/10~6/10之間。
4. 如請求項3之空氣調和裝置之運轉方法，其中於上述空氣調和裝置，在上述空氣通流路中之上述加熱環管之下游側設有對上述對溫度控制對象之空氣之濕度進行調節的加濕裝置；另具備：加濕控制工程，係藉由基於設於上述排出口的濕度感測器所檢測的濕度與預先設定的目標濕度間之差分的PID運算，以使上述濕度感測器檢測的濕度成為和上述目標濕度一致的方式針對上述加濕裝置之加濕操作量進行運算，對應於該加濕操作量而對上述加濕裝置進行控制。