JP5777589B2 - 環境試験装置及び空調システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、環境試験装置に関するものである。また本発明は、環境試験装置等に採用される空調システムの制御方法に関するものである。

商品や素材等（以下、単に試料体という）の性能や耐久性を試験する装置として、環境試験装置がある。環境試験装置は、試験対象たる試料体が載置される試験空間を備え、この試験空間内の温度や湿度を所望の目標環境に調整するものである。即ち、環境試験装置は、試験空間内を所望の環境に調整すべく、空気を加熱するヒータや、空気を冷却・除湿する冷却装置、加湿装置、さらには試験空間内の空気を攪拌する送風機が搭載されている。

図７は、従来技術の代表的な環境試験装置１００の概念図である。従来技術の環境試験装置１００は、周囲を断熱材（図示せず）で覆われた筐体２を有した恒温恒湿装置である。すなわち、筐体２は、恒温恒湿槽５を成すものであり、その内部が仕切壁３によって、試験室（試験空間）６と、空調用通路（空気調整空間）７とに区切られている。そして、恒温恒湿槽５内の上部側と下部側には、試験室６と空調用通路７とを連通する開口１０，１１が設けられている。

試験室６は、環境試験を行う際に、試料体となる機器や部品等を配置する空間で、当該空間の温度を検知する室内温度検知手段１５と、当該空間の相対湿度を検知する室内湿度検知手段１６が設けられている。室内温度検知手段１５は、例えば、従来公知の測温抵抗体等の温度センサである。一方、室内湿度検知手段１６は、例えば、従来公知の湿度センサである。

空調用通路７は、所望の温度や湿度の空気を生成する部分であり、下部側（空気の流れ方向上流側）から順番に、冷却器２０、加湿器２１、加熱器２２、送風機２５が配されている。
冷却器２０は、公知の冷却装置２６の一部であり、より具体的には蒸発器であって冷凍サイクルの一部を担うべく機能するものである。即ち冷却装置２６は、冷却器（蒸発器）２０の他、圧縮機３０、凝縮器３１、膨張手段３２を有し、これらが環状に接続されている。そして内部に相変化する冷媒が流通し、一連の冷凍サイクルを構成する。前記した冷媒は、冷却器（蒸発器）２０の一次側を流れ、冷却器２０内で気化して周囲の熱を奪い、冷却器２０の表面温度を低下させる。

加湿器２１は、蒸気を放出するものである。
加熱器２２は、従来公知の電気ヒータであり、空調用通路７を通過する空気を加熱するものである。
送風機２５は、従来公知の多翼型の遠心送風機である。

環境試験装置１００は、送風機２５によって恒温恒湿槽５内の空気を循環して、試験室６内に所望の環境が作られる。即ち恒温恒湿槽５内の空気は、送風機２５によって仕切壁３の下部側の開口１０から空調用通路７側に吸入され、空調用通路７を鉛直上方に向けて通過して、仕切壁３の上部側の開口１１から試験室６側に吐出される。そして空調用通路（空気調整空間）７と試験室（試験空間）６との間で空気を循環させる。空調用通路７は通風環境となるものであり、内部の機器に送風が順次通過する。

より詳細に説明すると、送風機２５が起動されると、図７に示すように、空調用通路７内の空気が送風機２５の吸気口２７に吸い込まれて、吐出口２８から吐出される。そして、送風機２５から吐出された空気は、仕切壁３の上部側の開口１１から試験室６側に送り出される。試験室６内を通過して、仕切壁３の下部側の開口１０に到達した空気は、再び空調用通路７内に戻る。空調用通路７には、前記したように、空気の流れ方向に沿って順番に冷却器２０、加湿器２１、加熱器２２が配置されているため、空調用通路７に導入された空気は、冷却器２０で冷却及び除湿され、加湿器２１で必要に応じて加湿されて湿度が調整され、さらに加熱器２２で加熱されて温度調節され、再度送風機２５の吸気口２７に吸い込まれて、吐出口２８から吐出される。

なお、環境試験装置１００は、室内温度検知手段１５と室内湿度検知手段１６によって、試験室６内の現状の温度（現状気温）と現状の相対湿度（現状相対湿度）が監視され、所定の設定条件に基づいて、各機器（冷却装置２６、加湿器２１、加熱器２２、送風機２５等）が制御される。即ち室内温度検知手段１５と室内湿度検知手段１６の検知信号が、制御装置３３に入力され、所定のプログラムで処理される。そして制御装置３３から出力される信号によって、冷却装置２６、加湿器２１及び加熱器２２等が駆動される。
即ち環境試験装置１００の空調システムは、試験室６内の環境を目標の温度及び湿度に調整するものであり、冷却装置２６、加湿器２１、加熱器２２及び送風機２５で構成され、冷却装置２６、加湿器２１、加熱器２２を制御装置３３から出力される信号によって制御するものである。

特開２０１１−１６３５８５号公報

環境試験装置１００は、耐久試験に多用されるので、長時間に渡って連続的に運転される場合が多い。そのため環境試験装置１００の消費電力を極力低くしたいという市場の要望がある。
本発明は、上記した要望に応えるものであり、消費電力が少なく、省エネルギーに寄与する環境試験装置の提供を目的とするものである。また本発明は、消費電力が少なく、環境試験装置に好適な空調システムの制御方法に関するものである。

上記した課題を解決するため、本発明者らは、目標環境が低湿度環境である場合と、高湿度環境である場合に分けてエネルギーの無駄が無いかを検証した。
その結果、従来技術の環境試験装置１００は、目標環境が高湿度環境である場合に、エネルギーの無駄が多いことが判明した。即ち従来技術の環境試験装置１００は、試験室６内を通過して空調用通路７に戻された空気を冷却器２０の表面に接触させ、空気を低温の冷却器２０表面で冷やすことによって空気の温度を低下させる。ここで、目標環境が高湿度環境であるならば、空調用通路７に戻って来た空気も一般に高湿度であり、冷却器２０の表面に触れることによって含まれた水蒸気が凝縮する。そのため冷却器２０を通過した空気の絶対湿度は、目標環境の絶対湿度よりも低いものとなってしまう。そのため従来技術の環境試験装置１００では、冷却器２０を通過した空気に加湿器２１で水蒸気を混入し、空気の湿度を調整している。

この様に、従来技術の環境試験装置１００で高湿度環境を作る場合、冷却器２０の表面に於ける水蒸気の凝縮量が多く、水蒸気の凝縮のためにエネルギーを無駄に消費している。
また冷却器２０において、過度に含有水蒸気が除去されてしまうため、その後に加湿することを余儀なくされ、加湿のために余計にエネルギーを消費することとなる。

以下、このメカニズムをさらに詳細に説明する。
図８は、図７に示す環境試験装置１００の空調システムで低湿度の環境を作った場合の空調状態を空気線図上に示したものである。図８における目標環境は、温度が摂氏３０度、相対湿度が３０パーセントである。
環境試験装置１００では、目標の温度（摂氏３０度）であって目標の低湿度（３０％ｒｈ）に調温調湿された空気が送風機２５から試験室６へ送られる（図７、図８のＡ点）。この空気が試験室６を経由して再び空調用通路７に戻るときには、試験室６において試料体からの発熱や室外からの水蒸気の進入の影響を受け、点Ｂへ状態が変化している。即ち試験室６内の環境は低湿度の環境であり、外気よりも湿度が低いから、外気から試験室６側に水蒸気が進入し、絶対湿度が上昇する。また試験室６に配された試料体が発熱することにより、環境温度が上昇する。そのため温度及び湿度が目標温度よりも幾分高くなった状態の空気が空調用通路７に戻る。従って図８の線分Ａ−Ｂは、若干、上向きに傾く。

空調用通路７へ戻った空気は冷却器２０を通過するときに冷却・除湿される。しかしながら、環境試験装置１００の目標環境は、低湿度環境であるから、Ａ点からＢ点に状態変化していると言えどもその湿度は低い。そのため空調用通路７へ戻った空気の絶対湿度が低く、その露点が低いため顕熱比の大きい冷却・除湿（約０．８〜１．０、図８は０．９で記載）が行われ、冷却器２０の出口ではＣ点の状態となっている。即ち目標の温度・湿度よりもわずかに温度・湿度が低い状態となって冷却器２０を通過する。
そして従来技術の環境試験装置１００では、この空気を再び目標環境の温度及び湿度たるＡ点にするため、加湿器２１での加湿と、加熱器２２での加熱とを行う。それぞれでの状態変化を分けて書いた場合、加湿器２１では熱水分比（一般的な値６４０）に沿った加熱・加湿の状態変化となり、目標環境と同じ絶対湿度であるＤ点まで状態変化する。また、最後に加熱器２２で加熱され目標環境たるＡ点の状態となる。

一方、図９は、図７に示す環境試験装置１００の空調システムで高湿度の環境を作った場合の空調状態を空気線図上に示したものである。図９における目標環境は、温度が摂氏３０度、相対湿度が８０パーセントである。
環境試験装置１００では、目標の温度（摂氏３０度）であって目標の高湿度（８０％ｒｈ）に調温調湿された空気が送風機２５から試験室６へ送られる（図７、図９：Ａ点）。この空気が試験室６を経由して再び空調用通路７に戻るときには、試験室６で試料体からの発熱や室外への水蒸気の放散の影響により、Ｂ点へ状態が変化している。即ち試験室６内の環境は高湿度の環境であり、外気よりも湿度が高いから、試験室６側から外気に向かって水蒸気が放散し、絶対湿度が低下する。また試験室６に配された試料体が発熱することにより、環境温度が上昇する。そのため温度は目標温度よりも幾分高く、湿度（絶対湿度）は幾分低くなった状態の空気が空調用通路７に戻る。従って図８の線分Ａ−Ｂは、若干、下向きに傾く。

空調用通路７へ戻った空気は冷却器２０を通過するときに除湿冷却される。ここで、環境試験装置１００の目標環境は、高湿度環境であるから、そもそもその湿度が高く、試験室６を経由した空気は高い湿度となっている。そのためＢ点の湿度は高い。そのため空調用通路７へ戻った空気の絶対湿度が高く、その露点が高いため顕熱比の小さい除湿冷却（約０．１〜０．４ 図９では０．３５で記載）が行われる。そして冷却器２０の出口ではＣ点の状態となっている。即ち目標の温度・湿度よりも温度・湿度が低い状態となって冷却器２０を通過する。
そして従来技術の環境試験装置１００では、この空気を再び目標環境たるＡ点にするため、加湿器２１での加湿と、加熱器２２での加熱とを行う。それぞれでの状態変化を分けて書いた場合、加湿器２１では熱水分比（一般的な値６４０）に沿った加熱・加湿の状態変化となり、目標環境と同じ絶対湿度であるＤ点まで状態変化する。また、最後に加熱器２２で加熱され目標環境たるＡ点の状態となる。

次に目標環境が低湿度環境である場合と、高湿度環境である場合における消費電力を比較する。空調システムの消費電力は、冷却器２０でのエンタルピ変化（Δｈ２：ｈ３−ｈ１ Δはデルタ）が大きくなる程、冷却装置２６の仕事量が大きくなり消費電力量が大きくなる。また加熱・加湿のエンタルピ変化（Δｈ１：ｈ２−ｈ１）が大きい場合も同様に空調システムの消費電力量が大きくなる。
この観点で、図８と図９とを比較すると、目標環境が高湿度環境である場合には、顕熱比の小さい除湿冷却が行われるので、冷却器２０を通過する際のエンタルピ変化（Δｈ２：ｈ３−ｈ１）が大きく、低湿度の制御時よりも消費電力量が多い。
また目標環境が高湿度環境である場合には、調温・調湿のうち、加湿器２１での加湿量が多く必要となるため、Δｈ１が大きくなり、低湿度の制御時よりも消費電量が多くなる。
さらに図７の空調システムで高湿度（３０℃８０％ｒｈ）かつ顕熱負荷が大きくなった場合は、より大きな電力消費を強いられる。
図１１は、図７に示す環境試験装置１００の空調システムで高湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。図１１における目標環境は、温度が摂氏３０度、相対湿度が８０パーセントである。
顕熱負荷が大きくなった場合、空気が空調用通路７に戻る際の空気は、前記したＢ点よりもより温度の高いＢ’点となっている。Ｂ’点は、Ｂ点に比べて温度が高く、相対湿度が低くなるため蒸発器での除湿・冷却の顕熱比は多少大きくなり（図１１では０．４５で記載）除湿しにくくはなるものの、除湿・冷却量が大きくなってしまう。Ｃ点での除湿量だけを見ると、図９の場合よりも大きくなっている。従って、加湿器２１での加湿量も多く必要となり、結果的に、冷却器２０でのエンタルピ変化（Δｈ２：ｈ３’−ｈ１’）も加熱・加湿のエンタルピ変化（Δｈ１：ｈ２−ｈ１’）も大きく増加し、空調システムの消費電力量が非常に大きくなってしまう。

また参考のために、図７の空調システムで低湿度（３０℃３０％ｒｈ）かつ顕熱負荷が大きくなった場合の空調状態を説明する。
図１０は、図７に示す環境試験装置１００の空調システムで低湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。
顕熱負荷が大きくなった場合、空気が空調用通路７に戻る際の空気は、前記したＢ点よりもより温度の高いＢ’点となっている。Ｂ’点は、Ｂ点に比べて温度が高い。Ｃ点での除湿量は、図８の場合（顕熱負荷が大きくない場合）と比べて大差はない。

上記した考察に基づいて開発された請求項１に記載の発明は、冷却手段が配された空気調整空間と、試料体が配される試験空間とを有し、空気調整空間を通風環境にして空気調整空間と試験空間との間で空気を循環させ、試験空間を所望の環境に整える環境試験装置において、前記冷却手段は表面温度を低下させることができるものであり、通風環境下においてその表面で空気と熱交換して空気温度を低下させると共に空気中の水蒸気を凝縮して凝縮水を発生させることが可能であり、前記冷却手段で発生した凝縮水を通風環境にさらし、凝縮水を蒸発させる凝縮水蒸発装置を備え、目標環境が高湿度環境である場合に実施され凝縮水蒸発装置によって凝縮水を蒸発させる凝縮水蒸発運転モードと、目標環境が低湿度環境である場合に実施され凝縮水を蒸発させない通常運転モードとを行うことができ、前記冷却手段は２系統以上の冷却用熱交換器によって構成され、少なくとも２系統の冷却用熱交換器は上部側に位置する上部側熱交換器と下部側に位置する下部側熱交換器に区分され、凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には主として上部側熱交換器によって試験空間の温度を低下させると共に下部側熱交換器を凝縮水蒸発装置として機能させ、主として上部側熱交換器の表面で発生した凝縮水を重力で降下させて下部側熱交換器の表面に付着させ、下部側熱交換器の表面で凝縮水を通風環境にさらして蒸発させることを特徴とする環境試験装置である。

本発明の環境試験装置は、運転モードとして凝縮水蒸発運転モードと、通常運転モードとを備えている。凝縮水蒸発運転モードは、目標環境が高湿度である場合に適した運転モードであり、通常運転モードは、目標環境が低湿度である場合に適した運転モードである。
本発明の環境試験装置が採用する凝縮水蒸発運転モードは、冷却手段で発生した凝縮水を通風環境にさらし、凝縮水を蒸発させることを特徴としている。凝縮水蒸発運転モードでは、凝縮水を通風環境にさらすことによって空気中の水蒸気量を確保することができるので、加湿器による加湿量が少なくて足る。
また凝縮水の温度は、冷却手段の表面温度に近いので、気化した水蒸気の温度も低い。気化した水蒸気は、再度冷却手段の領域を通過するが、水蒸気の温度は低いものであるから、冷却手段に掛かる負担は小さい。
さらに通風によって凝縮水を蒸発させるので、凝縮水を気化させるためのエネルギーも小さい。
一方、目標環境が低湿度環境である場合に凝縮水蒸発運転モードで環境試験装置を運転すると、却って消費電力が増大する場合がある。本発明は、この様な事態に備えて、通常運転モードを備えている。
即ち低湿度環境で凝縮水蒸発運転モードで運転すると、空気の吸水能力が高いために、凝縮水の蒸発量が多く、目標の湿度まで低下させるために要する冷却手段の消費エネルギーが増大する。そのため凝縮水蒸発運転モードは、目標環境が低湿度環境である場合の運転モードとして不向きであり、通常運転モードで運転することが推奨される。

前記した様に請求項１に記載の発明は、前記冷却手段は２系統以上の冷却用熱交換器によって構成され、少なくとも２系統の冷却用熱交換器は上部側に位置する上部側熱交換器と下部側に位置する下部側熱交換器に区分され、凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には主として上部側熱交換器によって試験空間の温度を低下させると共に下部側熱交換器を凝縮水蒸発装置として機能させ、主として上部側熱交換器の表面で発生した凝縮水を重力で降下させて下部側熱交換器の表面に付着させ、下部側熱交換器の表面で凝縮水を通風環境にさらして蒸発させることを特徴の一つとしている。

本発明では、冷却手段を２系統以上の冷却用熱交換器によって構成し、この冷却用熱交換器を高さ方向に差を設けて設置した。そして凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には主として上部側熱交換器によって試験空間の温度を低下させることとした。その結果、上部側熱交換器の表面で水蒸気が凝縮する。そして発生した凝縮水は重力で降下して下部側熱交換器の表面に付着する。ここで凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には主として上部側熱交換器によって試験空間の温度を低下させるので、下部側熱交換器は通気温度に近い温度となっている。そのため下部側熱交換器の表面温度は、凝縮水の温度よりも高く、且つ凝縮水は通風空間にさらされるので、容易に気化する。

請求項２に記載の発明は、下部側熱交換器は、表面にフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置である。

本発明では、下部側熱交換器が凝縮水蒸発装置として機能する。そして凝縮水蒸発装置たる下部側熱交換器は、表面にフィンを有しているから、凝縮水と空気との接触機会が多く、凝縮水の気化が促進される。

請求項３に記載の発明は、前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器は、一連の冷凍サイクルを構成する冷却装置の一部であり、前記冷却装置は、前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器の一次側流路と、圧縮機と、凝縮器及び膨張手段が環状に接続され、内部に相変化する冷媒を循環され、前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器は、並列に接続されていて前記下部側熱交換器への冷媒の流れを遮断する遮断弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の環境試験装置である。

本発明の環境試験装置では、遮断弁を閉じることによって凝縮水蒸発運転モードでの運転が可能となる。

請求項４に記載の発明は、前記上部側熱交換器と前記下部側熱交換器とは分離独立したものであ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環境試験装置である。

本発明の環境試験装置は、上部側熱交換器と下部側熱交換器とが分離独立しているので、凝縮水蒸発運転モードの際に上部側熱交換器の冷熱が下部側熱交換器に伝わらず、凝縮水の気化を阻害しない。

請求項５に記載の発明は、試験空間の目標環境によって運転モードが切り替えられ、目標環境が低湿度環境である場合には通常運転モードで運転され、目標環境が高湿度環境である場合に凝縮水蒸発運転モードで運転されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の環境試験装置である。

本発明の環境試験装置では、目標環境に応じて適切な運転モードで運転される。本発明において、低湿度環境と高湿度環境の差は相対的なものである。

また上記した各発明と同様の作用効果を発揮する制御方法の発明は、通風空間に置かれた冷却手段によって所望空間の温度と湿度とを目標環境に一致させる空調システムの制御方法において、前記冷却手段は、上部側に位置する上部側熱交換器と下部側に位置する下部側熱交換器を有し、目標環境が低湿度環境である場合には主として下部側熱交換器又は下部側熱交換器と上部側熱交換器の双方を使用する通常運転モードで運転され、目標環境が高湿度環境である場合には、主として上部側熱交換器を使用する凝縮水蒸発運転モードで運転され、前記凝縮水蒸発運転モードにおいては上部側熱交換器の表面温度を低下し、下部側熱交換器の表面温度は前記所望空間から前記通風空間に吸い込まれる空気の温度に近い温度となり、前記凝縮水蒸発運転モードにおいては上部側熱交換器の表面で空気中の水蒸気を凝縮して凝縮水を発生させると共に、発生した凝縮水を重力で降下させて下部側熱交換器の表面に付着させ、下部側熱交換器の表面で凝縮水を通風環境にさらして蒸発させることを特徴とする空調システムの制御方法である。

本発明の空調システムの制御方法によると、目標環境が低湿度環境である場合の消費電力が抑制される。
請求項７に記載の発明は、前記下部側熱交換器は表面にフィンを有するものであることを特徴とする請求項６に記載の空調システムの制御方法である。

本発明の環境試験装置は、消費電力が低く、省エネルギーである。また本発明の空調システムの制御方法によると、消費電力の低減を図ることができる。

本発明の実施形態の環境試験装置の構成を示す概念図である。 図１の環境試験装置で採用する上部側熱交換器と下部側熱交換器の斜視図である。 図１に示す環境試験装置の空調システムで高湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。 図１に示す環境試験装置の空調システムで低湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。 本発明の他の実施形態の環境試験装置の構成を示す概念図である。 本発明のさらに他の実施形態の環境試験装置の冷却器近傍の斜視図である。 従来技術の環境試験装置の概念図である。 図７に示す環境試験装置の空調システムで低湿度の環境を作った場合の空調状態を空気線図上に示したものである。 図７に示す環境試験装置の空調システムで高湿度の環境を作った場合の空調状態を空気線図上に示したものである。 図７に示す環境試験装置の空調システムで低湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。 図７に示す環境試験装置の空調システムで高湿度の環境を作った場合であってさらに顕熱負荷が大きくなった場合における空調状態を空気線図上に示したものである。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態の環境試験装置１は、冷却装置５０に特徴があり、他の構成については従来技術の環境試験装置１００と同一である。即ち本実施形態の環境試験装置１は、図１に示すように先に説明した環境試験装置１００と同様に、筐体２内が試験室（試験空間）６と、空調用通路（空気調整空間）７とに区切られており、空調用通路７内に冷却器２０、加湿器２１、加熱器２２、送風機２５が配されている。環境試験装置１の空調システムは、試験室６内の環境を目標の温度及び湿度に調整するものであり、冷却装置５０、加湿器２１、加熱器２２及び送風機２５で構成され、冷却装置５０、加湿器２１、加熱器２２を制御装置７２から出力される信号によって制御するものである。
従って、従来技術の環境試験装置１００と同一の部材については、同一の番号を付することによって重複した説明を省略する。

前記した様に、環境試験装置１が従来技術と異なる点は、冷却装置５０の構造と、運転モードを自動的に切り替える機能を持つ点である。
本実施形態で採用する冷却装置５０は、蒸発器を２基備え、これが高さ方向に上下に配置されている。即ち冷却装置５０は、蒸発器として、上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２を備えている。上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２とはそれぞれ別途独立している。また上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２は並列接続されており、圧縮機３０等は共通するものの、冷媒の導入路は別系統である。
上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２の一次側はいずれも一連の管路（図示せず）であり、図２の様に冷媒導入口５５、５７と、冷媒排出口５６、５８とを有している。
そして管路の外面には、図２の様に冷却フィン６０、６１が設けられている。上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２とは上下に配置されており、上部側熱交換器５１の真下の位置に下部側熱交換器５２がある。

即ち上部側熱交換器５１は、一次側が一連の管路であり、冷媒導入口５５と、冷媒排出口５６が設けられている。上部側熱交換器５１の一次側管には、多数の冷却フィン６０が設けられている。冷却フィン６０は、設置姿勢を基準として、垂直姿勢の板であり、各フィン６０は平行に配置されている。

下部側熱交換器５２は、前記した上部側熱交換器５１と同一の構造であり、一次側が一連の管路であり、冷媒導入口５７と、冷媒排出口５８が設けられている。下部側熱交換器５２の一次側管には、多数の冷却フィン６１が設けられている。冷却フィン６１は、設置姿勢を基準として、垂直姿勢の板であり、各冷却フィン６１は平行に配置されている。
そして下部側熱交換器５２は、上部側熱交換器５１の真下の位置に配されている。

上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２の配管接続構造を見ると、図１の様に両者は並列に接続されている。即ち膨張手段３２の下流側に分岐部６２があり、上部分岐配管６５と下部分岐配管６６とに分かれている。そして一方の上部分岐配管６５が、上部側熱交換器５１の冷媒導入口５５に接続されている。また他方の下部分岐配管６６は、下部側熱交換器５２の冷媒導入口５７に接続されている。
上部分岐配管６５及び下部分岐配管６６には、それぞれ遮断弁７０，７１が設けられている。遮断弁７０，７１は電磁弁である。

上部側熱交換器５１の冷媒排出口５６と、下部側熱交換器５２の冷媒排出口５８とはいずれも圧縮機３０の吸入側に接続されている。
したがって、上部分岐配管６５に接続された遮断弁７０を開き、下部側熱交換器５２に設けられた遮断弁７１を閉じた状態で圧縮機３０を起動すれば、冷媒は、上部分岐配管６５だけに流れ、上部分岐配管６５の表面が温度低下する。一方、下部側熱交換器５２には冷媒が流れないので、下部側熱交換器５２の表面温度は、試験室６から吸い込まれる空気の温度に近い温度となる。

逆に下部側熱交換器５２に設けられた遮断弁７１を開き、上部分岐配管６５に接続された遮断弁７０を閉じた状態で、圧縮機３０を起動すれば、冷媒は、下部側熱交換器５２だけに流れ、下部側熱交換器５２の表面の温度が低下する。一方、上部側熱交換器５１には冷媒が流れないので、上部側熱交換器５１の表面温度は、下部側熱交換器５２を通過した空気の温度に近い温度となる。

本実施形態についても室内温度検知手段１５と室内湿度検知手段１６の検知信号が、制御装置７２に入力され、所定のプログラムで処理される。そして制御装置７２から出力される信号によって、冷却装置５０、加湿器２１、加熱器２２及び送風機２５等が駆動される。
また本実施形態の環境試験装置１では、これに加えて、制御装置７２によって遮断弁７０，７１が切り替えられる。
より具体的には、本実施形態の環境試験装置１では、目標環境の湿度に応じて、遮断弁７０，７１が自動的に切り替えられる。そして上部分岐配管６５に接続された遮断弁７０を開き、下部側熱交換器５２に設けられた遮断弁７１を閉じた状態での運転は、凝縮水蒸発運転モードでの運転となり、下部側熱交換器５２に設けられた遮断弁７１を開き、上部分岐配管６５に接続された遮断弁７０を閉じた状態での運転は、通常運転モードでの運転となる。
本実施形態の環境試験装置１では、目標環境の湿度が高い場合には、遮断弁７１を閉じた状態となり、凝縮水蒸発運転モードで運転される。逆に目標環境の湿度が低い場合には、下部分岐配管６６に設けられた遮断弁７１を開き、上部分岐配管６５に接続された遮断弁７０を閉じた状態となり、通常運転モードで運転される。

以下、各運転モードにおける挙動について説明する。
本実施形態の環境試験装置１では、下部側熱交換器５２の上方に上部側熱交換器５１を追加で設置した構成となっている。
また、下部側熱交換器５２の入口には遮断弁７１、上部側熱交換器５１の入口には遮断弁７０が設置されており、冷却・除湿をどちらの熱交換器５１，５２で行うかを選択する事ができるようになっている。

そして目標環境の湿度が高い場合には、凝縮水蒸発運転モードで運転され、上部側熱交換器５１を使用して冷却が行われる。上部側熱交換器５１を使用して除湿冷却を行った場合、露点温度以下となっている上部側熱交換器５１の冷却フィン６０に結露することで、除湿が行われるが、この冷却フィン６０に結露した凝縮水は、重力により下部側熱交換器５２の冷却フィン６１上に落下する。下部側熱交換器５２の冷却フィン６１は面積の広がりをもっているから、落下した凝縮水は冷却フィン６１の表面に薄く広がる。
ここで、凝縮水蒸発運転モードで運転されている場合には、下部側熱交換器５２に冷媒が流れておらず、冷却フィンの間は、通風が素通しされる状態となっている。前記した様に下部側熱交換器５２は、冷却能力を持たないから、冷却フィン６１の表面温度は循環空気温度とほぼ同じ温度となっている。また下部側熱交換器５２は、通風環境下におかれている。そしてさらに凝縮水は、薄く広がっているから、通風との接触機会が多い。そのため落下した凝縮水は送風された空気と接触し、暖められ蒸発する。そのため上部側熱交換器５１に導入される空気が加湿される。また凝縮水が蒸発する際における蒸発潜熱により周りから熱を奪うため、上部側熱交換器５１に導入される空気が冷却される。

気化した水蒸気は、再度上部側熱交換器５１を通過することとなるが、凝縮水の温度は、上部側熱交換器５１の表面温度に近いものであったから、水蒸気の温度は低く、上部側熱交換器５１に掛かる負荷は小さい。

これに対して目標環境の湿度が低い場合には、通常運転モードで運転され、下部側熱交換器５２を使用して冷却が行われる。
通常運転モードで運転された場合は、下部側熱交換器５２で冷却・除湿が行われ、冷却・除湿後の空気が、上部側熱交換器５１に流れる。しかしながら、通常運転モードで運転されている場合には、上部側熱交換器５１に冷媒が流れておらず、上部側熱交換器５１は冷却機能を持たない。そのため上部側熱交換器５１の冷却フィン６０の間は、通風が素通しされる状態となっている。従って、通常運転モードで運転された場合は、前記した従来技術の環境試験装置１００と同一の運転状態となる。

次に、本実施形態の環境試験装置１の有効性を空気線図を参照しつつ説明する。
図３は凝縮水蒸発運転モードで運転された場合の空気線図であり、目標環境が高湿度環境（３０℃８０％ｒｈ）であり、且つ顕熱負荷が大きくなった場合を示している。
即ち、仮に下部側熱交換器５２で除湿冷却を行った場合の蒸発器出口空気状態はＣ点となるが、上部側熱交換器５１を使用すると、前記した様に、上部側熱交換器５１から下部側熱交換器５２へ落下した凝縮水による冷却・加湿により、蒸発器出口空気状態はＣ’点となる（このときの顕熱比は０・８〜１．０、図は０．９で記載）。従って、下部側熱交換器５２で除湿冷却を行った場合と比較したすると、加湿器２１での状態変化量（Ｃ点からＤ点に至る変化）が非常に少なくなり、冷却・除湿でのエンタルピ変化（Δｈ２）、加湿・除湿でのエンタルピ変化（Δｈ１）がともに小さくなり、消費電力量が大幅に低減される。

凝縮水蒸発運転モードは、前記した様な目標環境が高湿環境である場合に適し、目標環境が低湿である場合には不向きである。
以下、この理由を説明する。
図４は凝縮水蒸発運転モードで運転された場合の空気線図であり、目標環境が低湿度環境（３０℃３０％ｒｈ）であり、且つ顕熱負荷が大きくなった場合を示している。
この場合、上部側熱交換器５１から下部側熱交換器５２へ落下した凝縮水による自然冷却・加湿（ａ点に至るライン）があるが故に、絶対湿度を制御点以下にするのには非常に大きな冷却・除湿量が必要となり、前記した図１０に示す冷却器２０で除湿・加湿を行った場合の低湿度環境（３０℃３０％ｒｈ）かつ顕熱負荷が大きくなった場合の状態変化と比較した場合、冷却・除湿でのエンタルピ変化（Δｈ２）、加湿・除湿でのエンタルピ変化（Δｈ１）ともに非常に大きくなり、消費電力量も大幅に増加する。

以上の事実より、蒸発器を上部側熱交換器５１と下部側熱交換器５２に分離した場合には、高湿運転時では上部側熱交換器５１で除湿・冷却を行ったほうが消費電力が小さく、低湿運転時では下部側熱交換器５２で除湿・冷却を行ったほうが、空気の状態変化を小さく抑えることとなり、より効率的な運転状態となると言える。

従って、本発明を実施する場合には、上部側熱交換器５１で除湿・冷却を行ったほうが効率的である温湿度範囲と、下部側熱交換器５２で除湿・冷却を行ったほうが効率的である温湿度範囲を予備実験で確認し、この情報を制御装置７２へ入力しておき、設定温湿度によってどちらの熱交換器５１，５２で除湿冷却を行うかを決めておくことが推奨される。

次に、本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。
本実施形態の環境試験装置１を使用して、所定の試料体を高湿度環境（３０℃８０％ｒｈ）に置く実験を行い、このときの許容可能な発熱負荷量と、発熱負荷最大時における消費電力量を測定した。その結果、許容可能な発熱負荷量が９．２ＫＷであり、消費電力量は、６，１ＫＷであった。
同様に、従来技術の環境試験装置１００を使用して、所定の試料体を高湿度環境（３０℃８０％ｒｈ）に置く実験を行い、このときの許容可能な発熱負荷量と、発熱負荷最大時における消費電力量を測定した。
その結果、許容可能な発熱負荷量が５．４ＫＷであり、消費電力量は、８，１ＫＷであった。
即ち、本実施形態の環境試験装置１は、従来技術の環境試験装置１００に比べて、許容可能な発熱負荷量が７０パーセント向上しているにも係わらず、消費電力は、２５パーセント低減している。
そのため、本実施形態の環境試験装置１は、能力が高く、且つ省エネルギーである。

上記した実施形態では、凝縮水蒸発運転モードによる運転と、通常運転モードによる運転の切り替えを遮断弁７０，７１の切り替えによって行ったが、本発明はこの構成に限定されるものでない。例えば図５に示す環境試験装置の様に、冷却装置を２基搭載し、上部側熱交換器５１を含む冷却回路と、下部側熱交換器５２を含む冷却回路を独立させてもよい。

上記した実施形態では、通常運転モードの際に下部側熱交換器５２だけを動作させたが、通常運転モードの際に下部側熱交換器５２に加えて上部側熱交換器５１を使用してもよい。

また上記した実施形態は、いずれも２基の熱交換器５１，５２を切り替えることによって、下方に配された下部側熱交換器５２を凝縮水蒸発装置として機能させた。しかし本発明は、この構成に限定されるものではなく、凝縮水蒸発装置を別途設けてもよい。図６は、凝縮水蒸発装置８０を別途設けた例を示している。
図６に示す構成では、冷却用の熱交換器８１は、一台だけであり、その下に凝縮水蒸発装置８０が設けられている。凝縮水蒸発装置８０は単にフィンが多数設けられたものであり、冷却機能は持たない。
凝縮水蒸発装置８０は、図示しない駆動装置で配置位置を変えることが可能なものであってもよい。その場合、凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には熱交換器８１の下に配され、通常運転モードで運転する場合には、別の位置に移動される。

１ 環境試験装置
６ 試験室（試験空間）
７ 空調用通路（空気調整空間）
２０ 冷却器
２１ 加湿器
２２ 加熱器
２５ 送風機
５０ 冷却装置
５１ 上部側熱交換器
５２ 下部側熱交換器
７０，７１ 遮断弁

Claims (7)

1. 冷却手段が配された空気調整空間と、試料体が配される試験空間とを有し、空気調整空間を通風環境にして空気調整空間と試験空間との間で空気を循環させ、試験空間を所望の環境に整える環境試験装置において、
   前記冷却手段は表面温度を低下させることができるものであり、通風環境下においてその表面で空気と熱交換して空気温度を低下させると共に空気中の水蒸気を凝縮して凝縮水を発生させることが可能であり、
   前記冷却手段で発生した凝縮水を通風環境にさらし、凝縮水を蒸発させる凝縮水蒸発装置を備え、目標環境が高湿度環境である場合に実施され凝縮水蒸発装置によって凝縮水を蒸発させる凝縮水蒸発運転モードと、目標環境が低湿度環境である場合に実施され凝縮水を蒸発させない通常運転モードとを行うことができ、
   前記冷却手段は２系統以上の冷却用熱交換器によって構成され、少なくとも２系統の冷却用熱交換器は上部側に位置する上部側熱交換器と下部側に位置する下部側熱交換器に区分され、
   凝縮水蒸発運転モードで運転する場合には主として上部側熱交換器によって試験空間の温度を低下させると共に下部側熱交換器を凝縮水蒸発装置として機能させ、主として上部側熱交換器の表面で発生した凝縮水を重力で降下させて下部側熱交換器の表面に付着させ、下部側熱交換器の表面で凝縮水を通風環境にさらして蒸発させることを特徴とする環境試験装置。
2. 下部側熱交換器は、表面にフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置。
3. 前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器は、一連の冷凍サイクルを構成する冷却装置の一部であり、前記冷却装置は、前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器の一次側流路と、圧縮機と、凝縮器及び膨張手段が環状に接続され、内部に相変化する冷媒を循環され、
   前記上部側熱交換器及び前記下部側熱交換器は、並列に接続されていて前記下部側熱交換器への冷媒の流れを遮断する遮断弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の環境試験装置。
4. 前記上部側熱交換器と前記下部側熱交換器とは分離独立したものであ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環境試験装置。
5. 試験空間の目標環境によって運転モードが切り替えられ、目標環境が低湿度環境である場合には通常運転モードで運転され、目標環境が高湿度環境である場合に凝縮水蒸発運転モードで運転されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の環境試験装置。
6. 通風空間に置かれた冷却手段によって所望空間の温度と湿度とを目標環境に一致させる空調システムの制御方法において、前記冷却手段は、上部側に位置する上部側熱交換器と下部側に位置する下部側熱交換器を有し、
   目標環境が低湿度環境である場合には主として下部側熱交換器又は下部側熱交換器と上部側熱交換器の双方を使用する通常運転モードで運転され、目標環境が高湿度環境である場合には、主として上部側熱交換器を使用する凝縮水蒸発運転モードで運転され、
   前記凝縮水蒸発運転モードにおいては上部側熱交換器の表面温度を低下し、下部側熱交換器の表面温度は前記所望空間から前記通風空間に吸い込まれる空気の温度に近い温度となり、
   前記凝縮水蒸発運転モードにおいては上部側熱交換器の表面で空気中の水蒸気を凝縮して凝縮水を発生させると共に、発生した凝縮水を重力で降下させて下部側熱交換器の表面に付着させ、下部側熱交換器の表面で凝縮水を通風環境にさらして蒸発させることを特徴とする空調システムの制御方法。
7. 前記下部側熱交換器は表面にフィンを有するものであることを特徴とする請求項６に記載の空調システムの制御方法。

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