(57)【要約】【課題】温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整できながら、省エネルギー化を図ることができる温調調整装置の提供。【解決手段】圧縮機６、凝縮器７、膨張部８、蒸発器９の順に冷媒を循環させて、蒸発器９内を流れる冷媒により温調対象流体Ｒを冷却させる冷凍サイクル２と、蒸発器９にて冷却された温調対象流体Ｒを加熱し且つその加熱出力を変更自在な加熱手段３とを備えており、加熱手段３にて加熱された後の温調対象流体Ｒの温度を検出する温度検出手段５と、温度検出手段５の検出温度が目標温度範囲内になるように加熱手段３の加熱出力を制御する加熱制御を行い、且つ、加熱制御における加熱手段３の加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機６の回転速度を制御する冷却制御を行う温調制御手段１１，１２とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させて、前記蒸発器内を流れる冷媒により温調対象流体を冷却させる冷凍サイクルと、
前記蒸発器にて冷却された前記温調対象流体を加熱し且つその加熱出力を変更自在な加熱手段とを備えている温度調整装置であって、
前記加熱手段にて加熱された後の温調対象流体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出温度が目標温度範囲内になるように前記加熱手段の加熱出力を制御する加熱制御を行い、且つ、前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値となるように前記圧縮機の回転速度を制御する冷却制御を行う温調制御手段とを備えている温度調整装置。
【請求項２】
前記温調制御手段は、前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値を繰り返し検出し、設定周期に検出した加熱出力値から求めた設定周期用加熱出力値が目標加熱出力値となるように前記圧縮機の回転速度を制御するように構成されている請求項１に記載の温度調整装置。
【請求項３】
前記温調制御手段は、前記目標加熱出力値を変更設定自在に構成されている請求項１又は２に記載の温度調整装置。
【請求項４】
前記温調制御手段は、前記圧縮機の回転速度を変化させるに当り、前記圧縮機の回転速度の変化度合いが設定範囲内となるように前記圧縮機の回転速度を制御するように構成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の温度調整装置。
【請求項５】
前記温調制御手段として、前記加熱制御を行い且つ前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値を出力可能な加熱制御手段と、前記加熱制御手段から出力される前記加熱出力値を入力可能で且つその加熱出力値に基づいて前記冷却制御を行う冷却制御手段とが設けられている請求項１〜４の何れか１項に記載の温度調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させて、前記蒸発器内を流れる冷媒により温調対象流体を冷却させる冷凍サイクルと、前記蒸発器にて冷却された前記温調対象流体を加熱し且つその加熱出力を変更自在な加熱手段とを備えている温度調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような温度調整装置は、吸い込み部により吸い込んだ温調対象流体を蒸発器にて冷却し、その冷却された温調対象流体を加熱手段にて加熱することにより、温調対象流体の温度を目標温度範囲（例えば、目標温度（２３℃）±０．１℃の範囲）内に調整して噴出部から噴出するものである。そして、噴出部から噴出された温調対象流体を温調対象空間に供給することにより、温調対象空間の温度を精密に調整するようにしている。
【０００３】
従来の温度調整装置では、蒸発器にて冷却された後の温調対象流体の温度を検出する冷却後温度検出手段と、加熱手段にて加熱された後の温調対象流体の温度を検出する加熱後温度検出手段とが備えられている。そして、冷却後温度検出手段の検出温度が冷却用目標温度範囲内になるように圧縮機の回転速度を制御する冷却制御手段と、加熱後温度検出手段の検出温度が目標温度範囲内になるように加熱手段の加熱出力を制御する加熱制御手段とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５３９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような温度調整装置では、例えば、蒸発器における冷媒の通流状態によって蒸発器にて冷却された後の温調対象流体の温度が変化する等の理由から、蒸発器にて冷却された後の温調対象流体を流動する全範囲に亘って均一な温度にするのは難しい。また、温度調整装置の小型化を図るために、蒸発器と加熱手段とを接近した位置に配置させる場合がある。この場合には、蒸発器にて冷却された後の温調対象流体が、流動する箇所によって加熱手段の輻射熱の影響の受け方が異なる。その結果、上記のような温度調整装置では、蒸発器にて冷却された後の温調対象流体は、流動する箇所によって温度差が生じており、高温側の温調対象流体と低温側の温調対象流体とが存在している可能性がある。
【０００６】
上記従来の温度調整装置では、冷却後温度検出手段にて蒸発器にて冷却された後の温調対象流体の温度を検出するようにしているが、流動する箇所によって温調対象流体に温度差が生じているので、冷却後温度検出手段の設置箇所によっては、高温側の温調対象流体の温度を検出したり、低温側の温調対象流体の温度を検出することになる。
【０００７】
例えば、高温側の温調対象流体の温度を検出した場合には、冷却制御手段が蒸発器における冷却量を増大させるように圧縮機の回転速度を制御することになる。これにより、高温側の温調対象流体は冷却用目標温度範囲内になるものの、低温側の温調対象流体は冷却用目標温度範囲よりも低温になってしまう。その結果、加熱制御手段が加熱出力を増大させるように加熱手段の加熱出力を制御することになる。よって、冷凍サイクルを運転させるために必要となるエネルギー及び加熱手段を作動させるために必要となるエネルギーが増大することになる。
逆に、低温側の温調対象流体の温度を検出した場合には、冷却制御手段が蒸発器における冷却量を減少させるように圧縮機の回転速度を制御することになる。これにより、低温側の温調対象流体は冷却用目標温度範囲内になるものの、高温側の温調対象流体は冷却用目標温度範囲よりも高温になってしまう。その結果、高温側の温調対象流体の温度が目標温度範囲よりも高温になってしまうことがあり、温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整できない虞が生じる。
【０００８】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整できながら、省エネルギー化を図ることができる温調調整装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明に係る温度調整装置の特徴構成は、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させて、前記蒸発器内を流れる冷媒により温調対象流体を冷却させる冷凍サイクルと、前記蒸発器にて冷却された前記温調対象流体を加熱し且つその加熱出力を変更自在な加熱手段とを備えている温度調整装置において、
前記加熱手段にて加熱された後の温調対象流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度が目標温度範囲内になるように前記加熱手段の加熱出力を制御する加熱制御を行い、且つ、前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値となるように前記圧縮機の回転速度を制御する冷却制御を行う温調制御手段とを備えている点にある。
【００１０】
本特徴構成によれば、温調制御手段は、加熱制御における加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機の回転速度を制御する冷却制御を行うことにより、蒸発器にて冷却された後の温調対象流体が流動する箇所によって温度差が生じていても、その温度差とは無関係に、冷凍サイクルを運転させることができる。例えば、蒸発器にて温調対象流体を冷却し過ぎている場合には、加熱制御における加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値よりも大きくなるので、冷却制御では、その加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機の回転速度を低下させることになる。逆に、蒸発器での温調対象流体の冷却が不足している場合には、加熱制御における加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値よりも小さくなるので、冷却制御では、その加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機の回転速度を増加させることになる。
このように、温調制御手段が冷却制御を行うことにより、冷凍サイクルを適正に運転させることができながら、温調制御手段が加熱制御を行うことによって、温度検出手段の検出温度を目標温度範囲内として、加熱手段にて加熱した後の温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整することができる。加熱制御では、加熱手段の加熱出力値が目標加熱出力値を基準とする範囲で安定することになるので、加熱手段を安定して運転させることができ、しかも、目標加熱出力値を極力小さな値とすることによって、加熱手段を運転させるためのエネルギー消費量を抑えることができる。
以上のことから、温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整できながら、省エネルギー化を図ることができる温調調整装置を実現できるに至った。
【００１１】
本発明に係る温度調整装置の更なる特徴構成は、前記温調制御手段は、前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値を繰り返し検出し、設定周期に検出した加熱出力値から求めた設定周期用加熱出力値が目標加熱出力値となるように前記圧縮機の回転速度を制御するように構成されている点にある。
【００１２】
例えば、加熱手段を電気ヒータとすると、電気ヒータの加熱出力を変化させる方が圧縮機の回転速度を変化させて蒸発器での冷却量を変化させるよりも応答性が速い。その為に、電気ヒータの加熱出力値に合わせてリアルタイムで圧縮機の回転速度を変化させると、圧縮機の回転速度が頻繁に変化されて冷凍サイクルの運転が不安定になってしまう可能性がある。その結果、蒸発器にて冷却された温調対象流体の温度が不安定になり、それに伴って加熱手段の加熱出力が頻繁に変化するという悪循環を招いてしまう虞がある。そこで、本特徴構成では、温調制御手段が、加熱手段の加熱出力値をそのまま用いるのではなく、設定周期に検出した加熱出力値から求めた設定周期用加熱出力値（例えば平均値）が目標加熱出力値となるように圧縮機の回転速度を制御している。これにより、圧縮機の回転速度が頻繁に変化されるのを抑制することができ、冷凍サイクルの運転を安定させることができる。
【００１３】
本発明に係る温度調整装置の更なる特徴構成は、前記温調制御手段は、前記圧縮機の回転速度を変化させるに当り、前記圧縮機の回転速度の変化度合いが設定範囲内となるように前記圧縮機の回転速度を制御するように構成されている点にある。
【００１４】
本特徴構成によれば、圧縮機の回転速度を変化させるに当り、圧縮機の回転速度の変化度合いを設定範囲内としながら、圧縮機の回転速度を変化させることができる。これにより、圧縮機の回転速度の変化度合いを極力小さく抑えることができ、冷凍サイクルの運転が不安定になり、蒸発器にて冷却された温調対象流体の温度が不安定になるのを抑制できる。
【００１５】
本発明に係る温度調整装置の更なる特徴構成は、前記温調制御手段として、前記加熱制御を行い且つ前記加熱制御における前記加熱手段の加熱出力値を出力可能な加熱制御手段と、前記加熱制御手段から出力される前記加熱出力値を入力可能で且つその加熱出力値に基づいて前記冷却制御を行う冷却制御手段とが設けられている点にある。
【００１６】
本特徴構成によれば、加熱制御を行うためだけに加熱制御手段を利用でき、且つ、冷却制御を行うためだけに冷却制御手段を利用できながら、加熱制御と冷却制御とを互いに独立した制御手段にて行うことができ、温調制御手段の制御構成の簡素化を図ることができる。そして、単に、加熱制御手段から冷却制御手段に加熱出力値を入力させるだけで、冷却制御手段が冷却制御を行うことができ、この点からも構成の簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る温度調整装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この温度調整装置１は、図１に示すように、温調対象流体Ｒを吸い込み部により装置内に吸い込み、装置内に吸い込んだ温調対象流体Ｒの温度を目標温度範囲（例えば、２３℃±０．１℃）内に調整して噴出部により装置外に噴出させるように構成されている。このような温度調整装置１は、クリーンルーム等の精密な温度調整が要求される温調対象空間の温度を調整するために用いられている。例えば、温調対象空間から温調対象流体Ｒを吸い込み、目標温度範囲に温度調整した温調対象流体Ｒを供給して、温度調整装置１と温調対象空間との間で温調対象流体Ｒを循環させながら、温調対象空間の温度を調整するようにしている。
【００１８】
温度調整装置１は、図１に示すように、温調対象流体Ｒを冷却させるための冷凍サイクル２と、冷凍サイクル２にて冷却された温調対象流体Ｒを加熱させる電気ヒータ３（加熱手段に相当する）と、電気ヒータ３にて加熱された温調対象流体Ｒを通風させるファン４と、電気ヒータ３にて加熱された後の温調対象流体Ｒの温度を検出する温度センサ５（温度検出手段に相当する）とを備えている。
【００１９】
冷凍サイクル２は、圧縮機６、凝縮器７、電子膨張弁８（膨張部に相当する）、蒸発器９の順に冷媒を循環させる冷媒回路１０を備え、蒸発器９内を流れる冷媒により温調対象流体Ｒを冷却させるように構成されている。冷媒回路１０では、圧縮機６にて圧縮された冷媒が凝縮器７に供給され、凝縮器７において冷媒と冷却水Ｗとが熱交換されて冷媒が冷却される。その冷却された冷媒は、電子膨張弁８にて膨張されたのち、蒸発器９に供給される。蒸発器９では、低温の冷媒と温調対象流体Ｒとの熱交換により温調対象流体Ｒが冷却される。ちなみに、この冷媒回路１０では、凝縮器７において冷媒と冷却水Ｗとを熱交換させて冷媒を冷却させる水冷式としているが、凝縮器７において冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を冷却させる空冷式とすることもできる。
【００２０】
冷凍サイクル２の運転を制御する第１制御部１１（冷却制御手段に相当する）が備えられている。圧縮機６は、その回転速度を変更自在なインバータ式の圧縮機にて構成されており、第１制御部１１は、圧縮機６の回転速度を制御することにより、圧縮機６から凝縮器７に供給する冷媒量を制御して冷凍サイクル２の運転を制御するように構成されている。また、第１制御部１１は、蒸発器９における冷媒との熱交換により温調対象流体Ｒを冷却できるように、電子膨張弁８の開度を制御するように構成されている。
【００２１】
電気ヒータ３の加熱出力を制御する第２制御部１２（加熱制御手段に相当する）が備えられている。第２制御部１２は、温度センサ５の検出温度が目標温度範囲（例えば、２３℃±０．１℃）内になるように電気ヒータ３の加熱出力を制御する加熱制御を行うように構成されている。つまり、加熱制御では、第２制御部１２が、温度センサ５の検出温度を目標温度範囲（例えば、２３℃±０．１℃）内にするために必要な加熱出力値（Ｘ％）をＰＩＤ演算により求め、その求めた加熱出力値（Ｘ％）を出力するように電気ヒータ３の加熱出力を制御するように構成されている。
第２制御部１２は、加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値（Ｘ％）を第１制御部１１に対して出力可能に構成されている。つまり、第２制御部１２は、加熱制御では電気ヒータ３の加熱出力をＸ％に制御するとともに、そのときの加熱出力値（Ｘ％）を第１制御部１１に出力するように構成されている。
【００２２】
第１制御部１１は、第２制御部１２からの加熱出力値を入力可能に構成されている。そして、第１制御部１１は、第２制御部１２から入力した加熱出力値が目標加熱出力値になるように圧縮機６の回転速度を制御する冷却制御を行うように構成されている。ここで、目標加熱出力値は、例えば、電気ヒータ３の最大出力の１０％の一定値に定められている。第１制御部１１は、電気ヒータ３の加熱出力値であるＸ％が目標加熱出力値である１０％になるように圧縮機６の回転速度を制御するように構成されている。つまり、冷却制御では、Ｘ％が１０％よりも大きいと、圧縮機６の回転速度を減少させるように圧縮機６の回転速度を制御し、Ｘ％が１０％よりも小さいと、圧縮機６の回転速度を増大させるように圧縮機６の回転速度を制御する。したがって、この制御では、電気ヒータ３の出力を所定値に抑えるように冷却を行うこととなる。
また、第１制御部１１は、冷却制御において、圧縮機の６回転速度を変化させるに当り、圧縮機６の回転速度の変化度合いが設定範囲内となるように圧縮機６の回転速度を制御するように構成されている。これにより、圧縮機６の回転速度の変化度合いを設定範囲内としながら、圧縮機６の回転速度を変化させることができる。よって、圧縮機６の回転速度を徐々に変化させて、冷凍サイクル２の運転が不安定になるのを抑制しながら、圧縮機６の回転速度を制御することができる。
【００２３】
このようにして、第１制御部１１と第２制御部１２とからなる温調制御手段は、温度検出センサ５の検出温度が目標温度範囲内になるように電気ヒータ３の加熱出力を制御する加熱制御を行い、且つ、その加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値が目標加熱出力値になるように圧縮機６の回転速度を制御する冷却制御を行うように構成されている。
【００２４】
例えば、蒸発器６にて温調対象流体Ｒを冷却し過ぎている場合には、加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値が目標加熱出力値よりも大きくなるので、冷却制御では、その加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機６の回転速度を低下させることになる。逆に、蒸発器６での温調対象流体Ｒの冷却が不足している場合には、加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値が目標加熱出力値よりも小さくなるので、冷却制御では、その加熱出力値が目標加熱出力値となるように圧縮機６の回転速度を増加させることになる。また、加熱制御を行うことによって、温度センサ５の検出温度を目標温度範囲内として、電気ヒータ３にて加熱した後の温調対象流体Ｒの温度を目標温度範囲内に調整することができる。
しかも、加熱制御では、電気ヒータ３の加熱出力値が目標加熱出力値（１０％）を基準とする範囲で安定することになるので、電気ヒータ３を安定して運転させることができるとともに、電気ヒータ３を運転させるためのエネルギー消費量を抑えることができる。
【００２５】
第２制御部１２は、加熱制御をリアルタイムで繰り返し行う。よって、図２に示すように、加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値（Ｘ％）は時間経過に伴って変化する。これにより、第２制御部１２から第１制御部１１に入力される加熱出力値（Ｘ％）も時間経過に伴って変化する。そして、電気ヒータ３の加熱出力を変化させる方が圧縮機３の回転速度を変化させて蒸発器６での冷却量を変化させるよりも応答性が速いので、電気ヒータ３の加熱出力値に合わせてリアルタイムで圧縮機３の回転速度を変化させると、冷凍サイクル２の運転が不安定になってしまい、蒸発器９にて冷却された温調対象流体Ｒの温度が安定しない等の不都合を招く虞がある。
そこで、第１制御部１１は、冷却制御において、第２制御部１２から入力される加熱出力値（Ｘ％）をそのまま用いるのではなく、設定周期Ｔに検出した加熱出力値から求めた設定周期用加熱出力値（例えば平均値）が目標加熱出力値である１０％になるように圧縮機６の回転速度を制御するように構成されている。ここで、例えば、設定周期Ｔは、電気ヒータ３に対する制御ステップよりも長い時間としている。これにより、冷凍サイクル２を安定した状態で運転させることができ、蒸発器９にて冷却された温調対象流体Ｒの温度を安定させることができる。
【００２６】
〔第２実施形態〕
上記第１実施形態では、目標加熱出力値を一定値（例えば、１０％）に定めているが、この第２実施形態では、温調制御手段が、目標加熱出力値を変更設定するように構成されている。例えば、図２に示すように、第１制御部１１は、設定周期が経過するごとに、その設定周期における第２制御部１２から入力される加熱出力値（Ｘ％）の極小値Ｐｍｉｎを求め、その極小値Ｐｍｉｎと下限加熱出力値Ｐ１（例えば１％）との差に応じて目標加熱出力値を変更設定するように構成されている。図２に示すものでは、設定周期Ｔにおける極小値Ｐｍｉｎが下限加熱出力値（例えば１％）よりも大きいので、極小値Ｐｍｉｎと下限加熱出力値（例えば１％）との差だけ目標加熱出力値を低下させるように変更設定する。
【００２７】
図３のフローチャートに基づいて説明すると、第１制御部１１は、設定周期Ｔが経過すると、第２制御部１２から入力される加熱出力値（Ｘ％）について設定周期Ｔにおける極小値Ｐｍｉｎを求め、その求めた極小値Ｐｍｉｎが下限加熱出力値Ｐ１（例えば１％）以上か否かを判別する（＃１，＃２）。第１制御部１１は、極小値Ｐｍｉｎが下限加熱出力値Ｐ１（例えば１％）以上であると、極小値Ｐｍｉｎから下限加熱出力値Ｐ１を引いた値を前回の目標加熱出力値ＰＶ（例えば１０％）から引いて新たな目標加熱出力値ＰＶを求める（＃３）。ちなみに、目標加熱出力値の初期値は例えば１０％としており、新たな目標加熱出力値が求められるたびに、その値が低下するようにしている。一方、極小値Ｐｍｉｎが下限加熱出力値Ｐ１よりも小さくなると、例えば、目標加熱出力値を前回の目標加熱出力値又は初期加熱出力値に変更することができる。
このようにして、設定周期Ｔが経過するごとに、極小値Ｐｍｉｎが下限加熱出力値Ｐ１（例えば１％）よりも小さいと、新たな目標加熱出力値ＰＶを求めてその値を低下させる。これにより、加熱制御における電気ヒータ３の加熱出力値を極力小さい値の目標加熱出力値を基準すると範囲で安定するので、省エネルギー化を図ることができる。
【００２８】
〔別実施形態〕
（１）上記第１及び第２実施形態では、加熱手段として電気ヒータ３を適応した例を示したが、例えば、冷媒回路１０において圧縮機６から吐出する冷媒を凝縮器７をバイパスして蒸発器９に供給するバイパス路を設け、そのバイパス路に冷媒が通流することにより熱交換対象流体を加熱可能な再熱器を設け、この再熱器を加熱手段として用いることも可能である。この場合には、バイパス路において再熱器よりも冷媒の流れ方向の下流側に膨張弁を設け、この膨張弁の開度を調整することにより再熱器の加熱出力を変更することができる。
【００２９】
（２）上記第２実施形態において、目標加熱出力値を変更する場合として、設定周期における極小値と下限加熱出力値Ｐ１との差に応じて目標加熱出力値を低下させるように変更する場合を例示したが、目標加熱出力値をどのように変更させるかは適宜変更が可能である。
【００３０】
（３）上記第１及び第２実施形態では、温調制御手段を、第１制御部１１と第２制御部１２との２つの制御部から構成しているが、温調制御手段を１つの制御部から構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させて、前記蒸発器内を流れる冷媒により温調対象流体を冷却させる冷凍サイクルと、蒸発器にて冷却された温調対象流体を加熱し且つその加熱出力を変更自在な加熱手段とを備えており、温調対象流体の温度を目標温度範囲内に調整できながら、省エネルギー化を図ることができる各種の温調調整装置に適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】温度調整装置の構成図
【図２】時間経過に伴う加熱出力値を示すグラフ
【図３】第２実施形態における目標加熱出力値を変更させる際の動作を示すフローチャート
【符号の説明】
【００３３】
２          冷凍サイクル
３          加熱手段（電気ヒータ）
５          温度検出手段（温度センサ）
６          圧縮機
７          凝縮器
８          膨張部（電子膨張弁）
９          蒸発器
１１        温調制御手段としての冷却制御手段（第１制御部）
１２        温調制御手段としての加熱制御手段（第２制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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