JP4579173B2 - 環境試験装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、試験室を通過するように循環する気体を冷媒が循環する冷凍装置の蒸発器で冷却し加熱器で加熱して前記試験室の温度を一定温度に保持可能な環境試験装置及びその運転方法に関する。

環境試験装置は、一般に高温から低温まで広範囲の温度条件で使用され、低温条件では、冷媒と共に循環している冷凍機油が十分に圧縮機まで戻らず、蒸発器の後流側等の冷凍回路の一部分に滞留する。このように滞留した冷凍機油は、圧縮機の安全運転のために確実に圧縮機に戻される必要があるが、従来の環境試験装置では、環境試験のための低温連続運転を終了した後、蒸発器を加熱し、蒸発器以後の回路内の温度を上げて冷凍機油の粘度を下げ、その流動性を良くして圧縮機に返していた。

なお、冷暖房用の空気調和装置としては、圧縮機のドーム下の過熱度とインバータ式圧縮機の回転数とから油流出量を算出し、油流出量が予め定めた量以上になると、冷房用電磁絞り弁の開度を大きくし、液体の冷媒と共に油を回収する油戻し運転をするようにした装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−３５１５９８号

上記の環境試験装置の従来技術では、１つの冷凍回路に蒸発器が２台以上設けられている場合や、低温連続運転という試験条件がない場合には、１台の蒸発器を試験条件に合わせて使用しつつ他の１台の蒸発器を油戻し時の運転条件で使用したり、１台だけの蒸発器を運転の停止時や運転条件の切換時に油戻し用の運転条件で使用することができる。しかし、低温連続運転が必要で且つ蒸発器が１台だけの冷凍回路では、従来技術のような油戻し運転をすることができない。

なお、環境試験装置では範囲の広い低温運転条件があるので、空気調和装置の従来技術のように、圧縮機の回転数と圧縮機のドーム下の過熱度だけから油流出量を算出して油戻し運転の開始時期を定めることはできない。

そこで本発明は、従来技術における上記問題を解決し、装置の連続運転を中断することなく、運転試験の精度を維持しつつ、冷凍回路に部分的に滞留することがある冷凍機油を確実に圧縮機に戻し、その正常で安全な運転状態を確保することができる環境試験装置及びその運転方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１の発明は、試験室を通過するように循環する気体を冷媒が循環する冷凍装置の蒸発器で冷却し加熱器で加熱して前記試験室の温度を一定温度に保持可能な環境試験装置の運転方法において、予め前記冷凍装置の冷凍能力と前記温度とで構成される座標上の領域であって前記冷媒と共に循環する冷凍機油が滞留することになる運転の領域を定めておき、運転されているときの前記冷凍能力と前記温度とによって定まる運転位置が前記領域内にあるときの時間を積算し、積算時間が所定時間に到達すると、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をすると共に前記冷凍装置の圧縮機から出たホットガスが前記出口の後流側部分に流れるように油戻し運転をすることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記油戻し運転は、圧縮機から出たホットガスの一部を主たる冷媒循環系から分流させて、主たる冷媒循環系から分流したホットガスを蒸発器の出口以後の部分であってアキュームレータの注入口以前の主たる冷媒循環系に供給することを特徴とする。
請求項３の発明は、前記油戻し運転は、冷媒が圧縮機から蒸発器に至るまでに通過する膨張弁を予め定めた開度で開いて、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をすることを特徴とする。
請求項４の発明は、前記冷凍能力は、試験室を通過するように循環する気体を蒸発器で冷却するときの冷却熱量であり、当該冷却熱量は、少なくとも加熱器の出力と送風機の出力から決定されることを特徴とする。

請求項５の発明は、試験室を通過するように循環する気体を冷媒が循環する冷凍装置の蒸発器で冷却し加熱器で加熱して前記試験室の温度を一定温度に保持可能な環境試験装置において、前記冷凍装置の冷凍能力と前記温度とで構成される座標上の領域であって前記冷媒と共に循環する冷凍機油が滞留することになる運転の領域が定められた座標保有手段と、前記冷凍能力を検出可能な冷凍能力検出手段と、前記温度を検出可能な温度検出手段と、前記冷凍能力検出手段で検出されて決定された冷凍能力と前記温度検出手段で検出された温度とによって定まる運転位置が前記領域内にあるときの時間を積算する積算手段と、積算時間が所定時間に到達すると前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させる制御をすると共に前記冷凍装置の圧縮機から出たホットガスが前記出口の後流側部分に流れるようにする油戻し運転を可能にする油戻し運転手段と、を有することを特徴とする。
請求項６の発明は、圧縮機から出たホットガスの一部を主たる冷媒循環系から分流させるホットガス系を有し、当該ホットガス系は、蒸発器の出口以後の部分であってアキュームレータの注入口以前の主たる冷媒循環系と繋がっていることを特徴とする。
請求項７の発明は、冷媒が圧縮機から蒸発器に至るまでの位置に膨張弁が配され、
油戻し運転では、膨張弁を予め定めた開度で開いて、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をすることを特徴とする。
請求項８の発明は、前記冷凍能力は、試験室を通過するように循環する気体を蒸発器で冷却するときの冷却熱量であり、当該冷却熱量は、少なくとも加熱器の出力と送風機の出力から決定されることを特徴とする。

請求項１の発明の環境試験装置の運転方法では、予め環境試験装置の冷凍装置の冷凍能力と試験室の温度とで構成される座標に、冷媒と共に循環する冷凍機油（以下単に「油」ということがある）が滞留することになる運転領域を定めておくので、運転中に、そのときの冷凍能力と温度とを定めることにより、油が滞留するときの運転条件を確実に取り出すことができる。

環境試験装置には、高温から例えば−８０℃程度の低温まで広範囲の温度条件で使用されるものも多く、そのような環境試験装置の冷凍装置には、ＨＦＣ系の低温用冷媒と組み合わされてエステル油等の冷凍機油が使用される。このような冷凍機油は、低温になるほど粘度が高くなり、その流動点は通常−５０℃〜−６０℃である。一方、ＨＦＣ系の低温用冷媒と冷凍機油とは相溶性がよい。

冷媒に随伴されて循環する冷凍機油は、上記のような性状に関係する冷媒及び油の温度、冷媒の相溶性及び冷媒の流速により、冷凍回路における循環性、即ち圧縮機から出た油が再び圧縮機まで戻される返油性が良いかどうか、油が滞留するとすれば回路中のどの部分か、等が定まる。

図４は冷凍回路における冷凍機油の温度と粘度の関係を示す。
その中のＡ部分は、温度は低いが油が冷媒に溶け込んでいるため油の粘度が比較的低くなっている部分であり、冷凍回路中では蒸発器の中で冷媒が蒸発前に液状で存在するまでの部分である。従って、この部分では、冷凍機油は、電子膨張弁の前後の管系や蒸発器内の蒸発管等に通常付着・滞留することなく、液冷媒に随伴されて良好に循環する。

Ｂの部分は、Ａの部分より温度は多少高くなっているが、冷媒が蒸発して冷凍機油が気相冷媒中に液状で独立的に存在するため、粘度が高くなっている部分であり、冷凍回路では、蒸発器の蒸発管の終端の集合管部分から圧縮機の上流側に気液分離用に設けられるアキュームレータを含む部分である。この部分では、冷媒が蒸発器内で蒸発して更にある程度過熱されて温度は高くなるが、環境試験装置の低温運転条件ではその温度が低いため、冷凍機油の粘度が高くなっていて、循環中に各部壁面に付着・滞留する。特に、アキュームレータでは冷媒流速が大幅に低下するので、油の溜まり量が多くなっている。

Ｃ部分は、温度が高く冷凍機油の粘度が低くなっていて油が循環する部分であり、冷凍回路では、圧縮熱で温度が高くなっている圧縮機から膨張弁までの部分である。なお、圧縮機の吸入側でも、後述するようにホットガスが入れられると温度が高くなって油が戻る。

以上のように、冷凍機油は冷凍回路を循環中に特定の場所で滞留することがあり、滞留するかどうかを判別するための運転条件としては種々の項目が考えられるが、本発明では、冷凍能力と試験室の温度とを組み合わせて、これらで構成される座標上の領域として定めている。ここで、試験室の温度は、通常の環境試験装置において常時測定されたり監視される項目であると共に、蒸発器で冷却される循環気体の温度であるから、循環気体を冷却するための冷媒温度と関連があるため、冷媒に随伴されている冷凍機油の温度、従って粘度及び流動性に関係し、冷凍機油の循環性を判断するときの１つの座標軸として適当である。

又、冷凍能力は、循環気体を蒸発器で冷却するときの冷却熱量に相当し、試験室で試験される被試験物が特別に発熱するようなものでないときには、試験室温度を目的とする温度にするために、蒸発器で除去した熱量を再補給する加熱器の出力や循環送風機の持ち込み熱量である出力に相当するので、簡単に利用できると共に、蒸発器内での冷媒の蒸発に深く関係するため、もう１つの座標軸として適当である。

その結果、これらで構成される座標を用いて冷凍機油が滞留するかどうかを判断することが可能になる。そして、環境試験装置の製造時に、又はそれが使用される工場等において、上記の座標内の複数の位置で予め運転試験をすることにより、冷凍機油が滞留することになる領域を精度良く確実に定めることができる。

次に、運転されているときの冷凍能力と温度とによって定まる運転位置が前記領域内にあるときの時間を積算し、積算時間が所定時間に到達すると油戻し運転をするので、冷凍機油が冷凍回路に停滞することになる運転によって滞留した油の量を積算して、所定の積算時間に滞留した油量が所定量になると、油戻し運転をすることによって滞留した所定量の油を冷凍装置の圧縮機に戻し、圧縮機の正常で安全な運転状態を維持することが可能になる。

ここで、滞留した冷凍機油の量が所定量になる所定時間は、所定量の滞留によって圧縮機の保有する油が減少したときにも、油の作用の点において圧縮機が安全で正常な運転を維持できるように定められる。即ち、所定時間の積算が開始される前には、圧縮機の保有する油量を適当量のうちの多い側の量にし、積算時間が所定時間に到達したときには、上記適当量のうちの少ない側の量になる程度に所定時間が定められる。この少ない側の量は、圧縮機の運転が油量不足で危険な運転状態になる量よりも十分多い量にされる。

なお、油戻し運転では、その開始時及び停止時には、試験室温度の制御状態がある程度影響を受けることになるので、所定時間は、圧縮機の運転の安全性の点では短い方がよいが、試験室温度の変動をできるだけ少なくして試験性能を良好に維持するという点では長い方がよいので、実際の装置に即して最適になるように定められる。

又、冷凍機油が滞留することになる運転の領域では、その中の位置によって一定時間に滞留する油量がある程度異なる可能性があるので、所定時間に滞留する油量は、通常、一定時間の滞留油量の多い側の量で定められる。なお、位置によって一定時間の滞留油量にある程度大きい差があるようなときには、積算する所定時間を領域内の場所によって変えるようにしてもよい。例えば、平均的滞留量の位置では、その位置の積算時間に乗ずる係数を１とし、多い位置及び少ない位置では係数を例えば０．９及び１．１とし、油の滞留量の差を考慮した積算時間にするようにしてもよい。

領域内で滞留する油量は、計算等では油戻し間隔を決められる程精度良く求めることができないので、通常、装置の製造時や使用時に工場等で試験をして求められることになる。このような試験をするには、ある程度の時間や運転者の労力を必要とするが、同じ型式の装置では、最初の装置で一度だけで試験をすればよいので、特に問題にはならない。

油戻し運転は、蒸発器の出口で液冷媒が残存すると共に圧縮機から出たホットガスが蒸発器出口から後流側の部分に流れるようにして実施される。前記図４のＢ部分に示す如く、膨張弁で減圧されても最初は殆ど液相になっている冷媒は、外を流れる循環空気で加熱されて蒸発器内で蒸発してその潜熱で循環空気を冷却するが、通常の運転条件では、液冷媒が圧縮機側に流れないように完全に蒸発させるために、飽和温度以上の温度まである程度過熱されて蒸発器から出て行くようにされている。

しかし、冷凍機油の循環が停滞するような低温条件では、循環空気の温度と蒸発器の蒸発温度とが接近するため、冷媒の過熱度が低下するだけでなく、冷媒流量が多いときには、蒸発器の中で冷媒が完全に蒸発せず、液相で出て行くことが多くなる。そして、冷媒量が一定以上の量になると、液相冷媒が多くなりすぎ、いわゆる"液バック"状態になり、圧縮機の正常な運転ができなくなる場合がある。

本発明で適用する油戻し運転は、このような液 バックが少量で安全な範囲内で実施されることになる。そして、図４における通常のＢ部分の運転をＡ部分の運転状態にして、圧縮機に油が戻るようにする。

一方、冷媒量を多くして少量液バック状態にする場合には、循環空気を冷却するときの主として潜熱からなる除熱量が多くなるため、試験室温度を維持するための再加熱量も多くなり、電力消費が多くなる。又、少量であっても、液冷媒が圧縮機に送られるのを防止する必要があるので、本発明で適用する油戻し運転では、圧縮機で圧縮されて高温になって出て行くホットガスの一部分を主たる冷媒循環系から分流させ、蒸発器の出口以後の部分のガス戻り系統に供給する。

その結果、蒸発器の出口側の圧力が大幅に上昇するため、蒸発温度が高くなり、循環空気の温度との差が小さくなり、冷媒供給量を少なくしても、蒸発器の出口に液冷媒が存在するようになる。そのときには、循環空気を冷却する熱量が小さくなるので、加熱器による再加熱量も小さくなる。又、ホットガスの供給によって圧縮機の吸入圧力が高くなり、圧縮比が小さくなって圧縮機の圧縮動力が減少する。従って、少ない電力消費の下で油戻し運転をすることができる。そしてこの場合、循環空気の温度を、最終的には常に加熱器の加熱熱量で調整するので、油戻し運転であっても、試験室の温度を目的とする温度に維持することができる。即ち、油戻し運転が開始されても、そのときの低温領域での連続運転状態を維持することができる。

油戻し運転は、滞留していた油が圧縮機に戻り、圧縮機の保有油量が少なくとも領域内運転が開始されるときの量になるまで実施される。そのためには、通常、前記の滞留する油量を求めるための試験運転に続いて油戻し運転を実施して、油の戻る状態を実現させる。圧縮機の油保有量は、圧縮機の油面のぞき窓や装備されていれば油面計等で見ることができる。油戻し運転の終了時期は、上記のように油量が回復するまでの時間等によって定められる。そして、実際の装置では、ときどき油戻り状態を確認しつつ、上記の試験で得られた時間を使用する。

以上のような環境試験装置によれば、時間積算のためのタイマー等やホットガス系は環境試験装置や冷凍回路の何れかの部分に通常設けられるので、特別な追加設備を設けることなく、又、装置の連続運転を中断することなく、そして運転試験の精度を維持しつつ、冷凍回路に部分的に滞留することがある冷凍機油を確実に圧縮機に戻し、その正常で安全な運転状態を確保することができる。

請求項５の発明によれば、所定の構成を備えた座標保有手段と冷凍能力検出手段と温度検出手段と積算手段と油戻し運転手段とを設けるので、検出した冷凍能力と試験室の温度とによって定まる運転位置が冷凍機油が滞留することになる領域内にあるときの時間を積算し、積算時間が所定時間に到達すると所定の油戻し運転をすることができるので、請求項１の発明と同様の前記のような種々の作用効果を得ることができる。

又、前記それぞれの手段は順次用いられるように相互に関連づけられているので、環境試験装置の通常の環境試験の運転に組み入れて、自動的に滞留した冷凍機油を圧縮機に戻す運転をすることができる。

図１は本発明を適用することができる環境試験装置の全体構成の一例を示す。
本例の環境試験装置は、試験室１を通過するように循環する気体としての空気を冷媒が循環する冷凍装置２の蒸発器２１で冷却し加熱器３で加熱して試験室１の温度を一定温度として設定温度ｔｓに保持可能な装置であり、例えば急速温度変化チャンバーと称される装置（以下「ＴＣＣ」という）として使用される。

ＴＣＣは、冷凍装置２の冷凍能力Ｆと試験室１の温度ｔとで構成される座標（Ｆ、ｔ）上の領域Ｍが定められた座標保有手段としての記憶部４、冷凍能力Ｆを検出可能な冷凍能力検出手段としての冷凍能力決定部５、温度ｔを検出可能な温度検出手段としての温度センサ６、冷凍能力決定部５で検出されて決定された冷凍能力Ｆａと温度センサ６で検出された温度ｔａとによって定まる運転位置Ｐ（Ｆａ、ｔａ）が領域Ｍ内にあるときの時間Ｔを積算する積算手段としてのタイマー部７、積算時間が所定時間Ｔｓに到達すると蒸発器２１の出口２１ａで冷媒の一部分が液状で存在すると共に冷凍装置２の圧縮機２３から出たホットガスが出口２１ａの後流側部分に流れるようにする油戻し運転を可能にする油戻し運転手段としての油戻し運転部８、等を有する。油戻し運転部８は記憶部４、冷凍能力決定部５及びタイマー部７を包含しこれらと関連を持つように構成されている。

試験室１には、図示を省略しているが、試料籠や試料棚等が設けられ、それらの中に試験される半導体製品等の試料が入れられる。試験室１に隣接して空調室９が設けられ、前記の蒸発器２１及び加熱器３と共に、空調室９から試験室１を通過して空調室９に戻るように空気を循環させる送風機１０が設けられている。

試験室１の温度ｔは、循環空気を蒸発器２１で冷却し加熱器３で加熱することにより一定温度に保持されるが、温度ｔが変化するように制御されることもある。その場合には、設定温度ｔｓがプログラム制御されることになる。特に本例のＴＣＣでは、試料自体の温度が、予め定められたように急速上昇、一定温度保持及び急速下降するように、試験室温度を追従させる制御が可能なようになっている。

冷凍装置２は、本例では二元冷凍サイクルの装置になっていて、低温側では凝縮器になり高温側では蒸発器になるカスケードコンデンサ２０、前記低温側の蒸発器２１、高温側の凝縮器２２、それぞれ低温側及び高温側の圧縮機２３、２４、蒸発器から出た冷媒が入れられ液冷媒が分離されるように構成されたアキュームレータ２５、２６、アキュームレータを出た冷媒ガスが入れられて圧縮される前記圧縮機２３、２４、電子膨張弁２７及び温度式膨張弁２８、低温側に設けられている中間冷却器２９、ホットガス系３０及びホットガスの開閉制御弁３１、等を備えている。

ＴＣＣは通常のものと同様に図示のような操作制御部１００を備えていて、その中には、上記冷凍装置及びＴＣＣ本体部分によって試験室１の温度を制御するために、温度設定部１１及び温度制御部１２が設けられている。温度設定部１１では、試験室１の設定温度ｔｓを一定温度として設定する。温度制御部１２は、設定温度ｔｓと温度センサ６で検出した測定温度ｔａとを取り入れ、ｔａがｔｓになるように加熱器３に出力信号Ｐｈを与えてその出力Ｈを制御する。又、設定温度ｔｓや温度制御状態等に対応して電子膨張弁２７にパルス信号Ｐｐを与えてその開度Ｖを制御する。又、温度設定部１１及び温度制御部１２により、前記の如く試料自体の温度の昇降や保持をプログラム制御できるようになっている。

図２は、温度制御部分と同様に操作制御盤１００に設けられている油戻し運転部８の記憶部４に取り入れられている座標（Ｆ、ｔ）の特に低温部分の内容を詳細に示す。
横軸の冷凍能力Ｆ（ＫＷ）は、冷凍能力決定部５で決定される。即ち、まず加熱器３の出力Ｈを検出し、これに、機械損失や空力損失を含めて送風機１０の試験室１への持ち込み総熱量として本例では一定の送風機出力８００Ｗを加え、その合計値をそのときの冷凍能力Ｆａとして決定している。

なお、送風機出力は加熱出力よりかなり小さいので、このような処理をしているが、電流値を検出して実際のモータ出力を計算させてこれを送風機出力としてもよい。又、試料は通常発熱を伴う作動状態にまではされないので、本例では冷凍能力に加えていないが、発熱試料等がある場合には、それを考慮して修正される。又、断熱されているため外部との熱の出入を省略しているが、これを必要に応じて加えられる。

以上から、冷凍機の蒸発器で除去した熱量が、加熱出力と送風機出力として試験室１に持ち込まれ、その温度が一定にされるので、これらが冷凍能力ということになる。加熱器３の出力としては、本例では温度制御部１２が加熱器３に与える出力信号Ｐｈを用いて、これを加熱出力Ｈに換算している。但し、実際の出力を検出してもよいことは勿論である。従って、このような冷凍能力からなる横座標軸に表される数値は、容易に且つ正確に得られるものである。なお、図２では、冷凍能力を好ましい使用範囲として１１ＫＷまで示しているが、加熱器３の定格出力はこれよりも大きい。

試験室の空気温度を示す縦軸では、１８０℃から約１３０℃までの高温域、それから４０℃程度までの中温域、それから−５０℃程度までの低温域、そして−７０℃までの低低温域からなる広範囲な温度条件を示している。この縦軸の空気温度としては、前記の温度制御と同様に測定温度ｔａが使用される。

冷凍機油の返油が不足して問題になるのは低低温域である。この領域では、電子膨張弁２７の開度に対応するパルス数を座標内に四角で囲って例示している。このパルス数は電子膨張弁の大きさや種類等によって当然異なることになる。なお、全領域でパルス数及び冷凍能力を種々に変化させて装置の全体的性能試験を行っているが、図ではそれらの表示を省略している。

座標上の領域Ｍは、冷媒と共に循環する冷凍機油が滞留することになる範囲として包括的に太い実線の枠で示されている。この領域は、温度では−５０℃程度以下の部分になることが実験で確認された。即ち、アキュームレータ２５の下部外面に温度計を装着し、冷凍機油の返油試験時にアキュームレータ下部温度を測定したところ、図３の試験結果に示す如く、返油性はこの温度とよく関係していて、この温度が１０℃程度以上になると、ほぼ確実に返油されることが分かった。

低低温域では、圧縮機の運転基準から望ましい運転位置の一例を、Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ として太い実線の四角枠の位置で示している。そして、その中には運転試験をしたときのパルス数を記載し、その近くの（ ）内に運転試験で得られたアキュームレータ下部温度を付記している。なお、図では、分かりやすくするために低低温域の部分の温度目盛の間隔を広くしている。図３のような試験によれば、−６０℃、−６５℃及び−７０℃の温度では、アキュームレータ下部温度がそれぞれ−４９℃、−５３．３℃及び−５２．１℃になったので、これらの運転位置は冷凍機油が滞留する位置である。

このような運転結果から、領域Ｍの高温側の限界として、運転時間の積算を開始するときの温度を本例では−５２℃としている。又、この温度に閾値を設けて、積算を終了するときの温度を−４８℃にしている。なお図では、ホットガス系を使用する運転範囲を太い一点鎖線で示しているが、上記のＰ₁ 〜Ｐ₃の運転位置はその範囲外になっていて、これらの位置ではホットガス系は使用されていない。

又低低温域では、電子膨張弁２７の開度を大きくして冷凍能力を大きくする運転範囲では、蒸発器２１で蒸発できない冷媒液が多くなるため、図において右端部分の四角枠内に太い鎖線で×印をしているような運転できない範囲がある。従って、このような範囲は、当然に運転時間を積算するための領域Ｍの範囲外になる。又、電子膨張弁２７の開度を一定以下にすると、圧縮機の吸入圧力が運転基準を満たさないようになるので、図において中央付近の細い鎖線で×印を付した範囲も除外される。

更に、ホットガス系を使用すると、蒸発器２１内の蒸発圧力が上がって蒸発温度が高くなり、循環空気と冷媒との温度差が減少してこれらの間の熱交換量が減り、循環空気が冷媒を十分蒸発させることができなくなるため、図において左側に太い鎖線で×印をした範囲のように、電子膨張弁２７の開度がある程度大きいと、液冷媒が多くなり過ぎて運転できないことになる。従って、このような範囲も運転時間の積算範囲から当然に除外される。なお、−５０℃では、ホットガス系を使用したときの運転制限がないので、これを使用してパルス数を適当に小さくすることにより、アキュームレータ下部温度を１０℃近くの温度以上に上げることができるので、この温度の部分は冷凍機油の滞留時間の積算開始条件に入れられていない。なお、この条件より上の温度でのアキュームレータ下部温度を、その条件位置に（ ）付きで示している。領域Ｍは、以上のようにして定められることになる。

タイマー部７は、運転位置Ｐ（Ｆａ、ｔａ）が以上のように運転除外範囲を除いた領域Ｍ内にあるときの時間Ｔを積算する。仮に、順次前記のＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ の位置で運転されたとすれば、それらの運転時のアキュームレータ下部温度が相当低くなっているので、油が滞留する。そして、それらの温度が同程度であり油の滞留量も同程度であると推定されるので、それぞれの運転時間がそのまま積算される。なお、領域Ｍ内で滞留油量にある程度以上の差がある場合には、その点を修正して時間積算をするようにしてもよい。

油戻し運転部８は、タイマー部７が、例えば前記Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ の何れか又は全ての運転位置で運転されたときの積算時間が所定時間Ｔｓに到達すると、油戻し運転をする。所定時間Ｔｓは、運転試験の結果から７２時間にされている。なお図１の装置では、操作制御盤で自動的に油戻し運転が開始されることになるが、長い連続運転試験をすることが多いような装置では、例えば、座標内容をパソコン等に示すようにし、冷凍能力Ｆａ及び温度ｔａを何れかの場所に表示したり上記パソコンに取り入れられるようにして、人が領域内運転時間を記録すること等によって油戻し運転をするような運転方法を用いることも可能である。

図３は、Ｔｓを約７２時間として２５万秒程度とし、試験室温度を冷凍機油の最も溜まりやすい最低の−７０℃として運転試験をした結果を示す。図中の上の白丸の各点は、それぞれの時間に測定した圧縮機の油面高さを示す。また下の黒丸は、返油運転時間を２時間としてそのときのアキュームレータ下部温度の変化状態を示す。なお、実際には約１４０万秒、約４００時間の試験をしたが、類似の試験結果が得られた９０万秒以後の部分を省略している。

この試験によれば、Ｔｓを７２時間程度の長い間隔にしても十分安全に返油されることが確認された。又、約２時間で圧縮機の油量がほぼ７２時間前の積算開始前の状態に戻ったので、返油運転の必要時間としては、２時間程度でよいことが確認された。

このような油戻し運転では、油戻し運転部８は、ホットガスの開閉制御弁３１を予め定めた適当な開度で開き、その開いた状態で、電子膨張弁２７を、通常の温度制御部１２で定める開度ではなく、この制御に優先させて、図２の二点鎖線の枠内に示すような予め定めた開度で開き、前記の如く蒸発器２１の出口２１ａで冷媒の一部分が液状で存在すると共に冷凍装置２の圧縮機２３から出たホットガスが出口２１ａの後流側部分に流れるようにする。

上記の液状で存在する冷媒の一部分とは、液冷媒が気化して気液冷媒の湿り度が０．１程度より小さい程度で残留する液冷媒量のことであり、ホットガスで確実に蒸発させることができる範囲の液冷媒量である。この液冷媒は、蒸発管の出口部分やそられのヘッダー部分及びホットガスの注入位置より前の配管等に存在するときに、それらの部分に付着滞留している油を溶かし、図４のＡの状態を実現させ、油を液相冷媒と共に後流側に流す。

このような液冷媒を含む冷媒が流れている部分にホットガスが注入されると、温度が上昇し液冷媒が蒸発すると共に、油粘度が低下し、図４のＣの状態になり、油は冷媒ガスと共に搬送される。又ホットガスは、配管を含みアキュームレータ２５内の温度を図２、３に示す１０℃を超える程度まで上昇させ、滞留していた油を確実に圧縮機に戻す作用をする。

ホットガスと共に上記の作用をなす一部分の液冷媒の量は、蒸発器出口の冷媒の過熱度を検出する方法等によっても定められるが、操作や制御が容易になるので、本例のように目的とする残留液冷媒量にすることができる電子膨張弁の開度従ってパルス数を予め定めておき、油戻し運転部８ではそのようなパルス信号Ｐｐｒを自動的に出力させるようにすることが望ましい。なお、Ｐｐｒを予め定めておけば、人が操作をして油戻し運転をすることも容易になる。

このときのパルス信号Ｐｐｒは、空気温度に対応して定められるので、−６０℃、−６５℃及び−７０℃のＰ₁ 〜Ｐ₃ の運転位置に対して、それぞれ１３５、１１０及び１００のパルス数が与えられるように定められる。このような運転によれば、これらの定められたパルス数により、通常の連続運転と同様に温度制御部１２で空気温度が制御されるので、通常運転と油戻し運転との切換時に多少空気温度が変動することになっても、試験として必要な連続運転精度等に影響することなく、通常の温度制御状態に戻される。当然連続運転が中断されることもない。これらのパルス数は、実際の油戻し運転で使用することにより、良好に返油運転がされるパルス数であることが確認される。又、そのときの運転データにより、過熱度から残留液冷媒量の程度が確認される。

例えば、−６０℃においてホットガス使用でパルス数が１３５の運転結果によれば、冷媒の、電子膨張弁出口温度、蒸発温度、低圧側圧力及び蒸発器出口温度がそれぞれ、−６６．３℃、−６７．２℃、０．１３Mpag、−６６．３℃という試験結果になり、過熱度が−１℃程度になり気液冷媒の乾き度が０．９程度以下には下がらず、蒸発器出口の液冷媒量が適当量であったことが確認された。

以上のような環境試験装置によれば、ホットガス系は通常冷凍回路の何れかの部分に設けられるものであり、タイマーも同様であるが、仮に追加装備されるとしても低価額のものであり、又油戻し運転部も操作制御盤の簡単な変更で装備可能であるので、油戻し運転を自動的に実施できるようにしたとしても、その構成は簡単でほとんど問題になるような追加コストは発生しない。そして、要求される連続運転性能を満たし、試験精度を維持しつつ、冷凍装置の圧縮機を確実に安全に運転することができる。

なお以上では、本発明を環境試験装置としてＴＣＣに適用した例について説明したが、本発明は、温度に加えて湿度制御をするものなど、他の通常の形式の環境試験装置にも適用できるものである。又、低温用冷媒が使用される二元冷凍サイクルの冷凍装置に適用した例を示しているが、他の通常の冷凍サイクルの冷凍装置であっても、油の循環不良は問題になるので、そのような冷凍装置を装備した環境試験装置に対しても、本発明を適用することができる。

本発明は、各種環境試験装置に対して広く利用されるが、低温で長時間運転が要求され冷凍機油の戻りが大きな問題になる急速温度変化チャンバー等に特に好都合に利用される。

本発明を適用した環境試験装置の全体構成の一例を示す説明図である。 上記装置に設けられる座標表示部の説明図である。 油戻し試験結果を示す説明図である。 冷凍機油の冷凍回路における温度と粘度との関係を示す説明図である。

１ 試験室
２ 冷凍装置
３ 加熱器
４ 記憶部（座標保有手段）
５ 冷凍能力決定部（冷凍能力検出手段）
６ 温度センサ（温度検出手段）
７ タイマー部（積算手段）
８ 油戻し運転部（油戻し運転手段）
２１ 蒸発器
２１ａ 蒸発器の出口
２３ 圧縮機
Ｆ、Ｆａ 冷凍能力
（Ｆ、ｔ） 座標
Ｍ 領域
Ｐ（Ｆａ、ｔａ） 運転位置
Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 運転位置
ｔ、ｔａ 温度（試験室の温度）
ｔｓ 試験室の設定温度（一定温度）

Claims (8)

1. 試験室を通過するように循環する気体を冷媒が循環する冷凍装置の蒸発器で冷却し加熱器で加熱して前記試験室の温度を一定温度に保持可能な環境試験装置の運転方法において、
   予め前記冷凍装置の冷凍能力と前記温度とで構成される座標上の領域であって前記冷媒と共に循環する冷凍機油が滞留することになる運転の領域を定めておき、運転されているときの前記冷凍能力と前記温度とによって定まる運転位置が前記領域内にあるときの時間を積算し、積算時間が所定時間に到達すると、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をすると共に前記冷凍装置の圧縮機から出たホットガスが前記出口の後流側部分に流れるように油戻し運転をすることを特徴とする環境試験装置の運転方法。
2. 前記油戻し運転は、圧縮機から出たホットガスの一部を主たる冷媒循環系から分流させて、主たる冷媒循環系から分流したホットガスを蒸発器の出口以後の部分であってアキュームレータの注入口以前の主たる冷媒循環系に供給することを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置の運転方法。
3. 前記油戻し運転は、冷媒が圧縮機から蒸発器に至るまでに通過する膨張弁を予め定めた開度で開いて、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をす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の運転方法。
4. 前記冷凍能力は、試験室を通過するように循環する気体を蒸発器で冷却するときの冷却熱量であり、当該冷却熱量は、少なくとも加熱器の出力と送風機の出力から決定されることを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置の運転方法。
5. 試験室を通過するように循環する気体を冷媒が循環する冷凍装置の蒸発器で冷却し加熱器で加熱して前記試験室の温度を一定温度に保持可能な環境試験装置において、
   前記冷凍装置の冷凍能力と前記温度とで構成される座標上の領域であって前記冷媒と共に循環する冷凍機油が滞留することになる運転の領域が定められた座標保有手段と、前記冷凍能力を検出可能な冷凍能力検出手段と、前記温度を検出可能な温度検出手段と、前記冷凍能力検出手段で検出されて決定された冷凍能力と前記温度検出手段で検出された温度とによって定まる運転位置が前記領域内にあるときの時間を積算する積算手段と、積算時間が所定時間に到達すると前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させる制御をすると共に前記冷凍装置の圧縮機から出たホットガスが前記出口の後流側部分に流れるようにする油戻し運転を可能にする油戻し運転手段と、を有することを特徴とする環境試験装置。
6. 圧縮機から出たホットガスの一部を主たる冷媒循環系から分流させるホットガス系を有し、当該ホットガス系は、蒸発器の出口以後の部分であってアキュームレータの注入口以前の主たる冷媒循環系と繋がっていることを特徴とする請求項５に記載の環境試験装置。
7. 冷媒が圧縮機から蒸発器に至るまでの位置に膨張弁が配され、
   油戻し運転では、膨張弁を予め定めた開度で開いて、前記蒸発器の出口で前記冷媒の一部分を液状で存在させるように制御をすることを特徴とする請求項５又は６に記載の環境試験装置。
8. 前記冷凍能力は、試験室を通過するように循環する気体を蒸発器で冷却するときの冷却熱量であり、当該冷却熱量は、少なくとも加熱器の出力と送風機の出力から決定されることを特徴とする請求項５に記載の環境試験装置。

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