JP6258110B2 - 環境試験装置及び温湿度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、環境試験装置に関するものである。本発明の環境試験装置は、特に薬品等の安定性を試験する用途に適するものである。また本発明は、所定の空間を所望の温度及び湿度の設定環境に維持する温湿度制御方法に関するものである。

製品や素材等の性能や耐久性を試験する装置として、特許文献１の様な環境試験装置が知られている。環境試験装置は、試験対象の供試体（被試験物）が載置される試験室を備え、試験室内の温度や湿度を所望の試験環境に調整するものである。
また特許文献２には、水蒸気分圧を利用して試験室内の湿度を調節する環境試験装置が開示されている。

図５は、従来の代表的な環境試験装置を概念的に表したものである。
従来技術の環境試験装置１００の基本構成は、図５に示すように断熱壁２によって覆われた断熱槽３を有している。そして当該断熱槽３の一部に試験室５が形成されている。試験室５は、被試験物１８を設置する空間である。
環境試験装置１００は、さらに加湿装置６、冷却装置７、加熱ヒータ（加熱装置）８、及び送風機１０を備えている。
環境試験装置１００には、試験室５と環状に連通する空気流路１５があり、当該空気流路１５に加湿装置６と、冷却装置７と、加熱ヒータ（加熱装置）８、及び送風機１０が設けられている。冷却装置７は、冷凍機１１を有している。
また空気流路１５の空気吹き出し部１６の近傍に、温度センサー１２と湿度センサー１３が設けられている。環境試験装置１００では、前記した空気流路１５とその内部の部材によって空気調和部１７が構成されている。
従来技術の環境試験装置１００では、温度センサー１２及び湿度センサー１３の検出値が、設定環境の温度及び湿度に近づく様に空気調和部１７内の機器が制御され、試験室５内に所望の温度・湿度環境を作ることができる。

特開２０１４−２０７７７号公報 特許第２９２８１５１号公報 特開平８−１３６４４１号公報

環境試験の一つとして、特許文献３に紹介された様な安定性試験と称される試験がある。安定性試験は、医薬品を対象として実施されることが多い試験である。
医薬品を対象とする安定性試験は、摂氏２５度、湿度６０パーセントという様な一定の環境に医薬品を長時間さらし、その変化を確認する試験である。
医薬品を対象とする安定性試験は、常温に近い環境で行う試験であり、試験環境を作ること自体は難しいことではない。

しかしながらこの試験は、試験対象が医薬品であるため、極めて厳格に実施されるべき試験であり、実際の試験環境が定められた環境から外れていることは許されない。

しかしながら、従来技術の環境試験装置１００は、試験室５内であって空気調和部１７の吹き出し部１６の近傍に温度センサー１２と湿度センサー１３が設けられており、温度センサー１２と湿度センサー１３で検知された値が設定環境の温度及び湿度と一致する様に空気調和部１７内の機器が制御されていた。
従来技術の環境試験装置１００では、温度センサー１２の位置が、実際に被試験物１８が設置されている位置から離れており、温度センサー１２の検出値が、被試験物１８の周囲の温度を正確に反映しているとは言いがたい。
現実問題として、吹き出し部１６近傍の温度は、被試験物１８の周囲の温度とは異なる。

また湿度センサー１３の検出値が、被試験物１８の周囲の湿度（相対湿度）を正確に反映しているとも言いがたい。即ち相対湿度は、温度によって変化する。より具体的には、相対湿度は、特定の気温における飽和水蒸気量に対する実際の水蒸気量の割合である。一方、飽和水蒸気量は気温に依存し、気温が上昇すると飽和水蒸気量が上昇し、相対湿度は低下する。そのため温度センサー１２の検知温度が不正確である場合は、相対湿度の値も不正確なものとなってしまう。

この様に従来技術の環境試験装置は、空気調和部１７の吹き出し部１６の温度と湿度をフィードバックして試験室５内の温度及び湿度を制御をしている。
そのため実際に被試験物１８を設置している試験室５内の温度や湿度は、試験室５の周囲の環境からの熱影響や、試験室５内に設置した被試験物１８の熱容量の大小によって吹き出し部１６の温度等とは異なったものになってしまう。
また特に被試験物１８や測定機器等の付属品が発熱する場合や、被試験物１８や測定機器等の付属品が冷却源となる場合には、被試験物１８を設置している試験室５内の温度等が、吹き出し部１６の温度等とは異なったものになってしまう。

一方、前記した様に、安定性試験は極めて厳格に実施されるべき試験であり、実際の試験環境が定められた環境から外れていることは許されない。
そのため従来技術の環境試験装置１００を使用して安定性試験を実施する場合には、オフセットした設定値を環境試験装置１００に入力して試験を行っていた。
具体的に説明すると、被試験物１８の周囲の実際の温度等と、温度センサー１２や湿度センサー１３等が設けられている部位の温度等の偏差を予め実験によって測定し、この偏差を打ち消す温度等を設定値として環境試験装置１００に入力する。
例えば、設定値が摂氏２５度である場合における被試験物１８の周囲の実際の温度が摂氏２３度であったならば、その偏差たる＋２度を加えた値を設定値として環境試験装置１００に入力する。より具体的に、摂氏２７度を設定値として環境試験装置１００に入力する。その結果、被試験物１８の周囲の実際の温度が、所望の温度たる摂氏２５度となる。
湿度についても同様であり、オフセットした設定値を環境試験装置１００に入力して試験を行っていた。
なお安定性試験を行う場合を例に説明したが、安定性試験に限らず、発熱する物を被試験物とする場合にも、オフセットした設定値を環境試験装置１００に入力して試験を行っていた。

しかしながらこの方策は設定が面倒であり、且つデータ管理上の不具合もある。
即ち前記した偏差は、常に一定とは言えず、外気温度や、収容する被試験物の種類、被試験物の量、被試験物の熱容量、被試験物や付属品が発熱するか否か、被試験物や付属品が吸熱するか否か等によって変わる。そのため試験のたびに偏差を測定する予備実験を行う必要があり、煩雑である。

また医薬品メーカは、厚生労働省から、安定性試験の結果報告書の提出を求められる場合があり、この報告書には、偏差の管理状況についても記述しなければならない。そのため従来技術の環境試験装置１００は、データ管理についても面倒であり、試験結果を監査する者にとっても分かりづらい。

ここで温度センサー１２や湿度センサー１３を被試験物１８の近傍に設置すれば、センサー１２，１３によって被試験物１８の周囲の環境を正確に把握することができ、上記した問題は解決する。
しかしながら、湿度センサー１３として多用される乾湿球式湿度センサーは、ある程度の通風環境下に設置する必要があり、無風に近い位置に置くことは望ましくない。即ち乾湿球式湿度センサーは、被試験物１８の近傍の様な風の少ない場所に置くと正確な湿度を検知しがたく、吹き出し部１６近傍の様な通風環境下に設置する必要がある。
また乾湿球式湿度センサーは、水を使用するので、被試験物１８の近くには置きにくいという問題がある。

そこで本発明は従来技術の上記した問題点に注目し、環境試験装置に設定された設定値がそのまま試験室の温度及び湿度となる環境試験装置を開発することを課題とするものである。また同様の目的を達成する温湿度制御方法を開発することを課題とするものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、被試験物を設置する試験室と、温度及び湿度を調整する機器を内蔵し前記機器で調整された空気を試験室に導入する空気調和部とを有し、空気調和部内の機器を制御することによって試験室内の環境を所望の設定環境に維持する環境試験装置において、試験室と環状に連通する空気流路があり、空気流路とその内部の部材によって前記空気調和部が構成されており、試験室と空気流路は、空気流路の空気吹き出し口で連通し、空気吹き出し口の近傍にあって空気調和部で調整された直後の空気の温度を検知する調整済温度検知手段と、試験室内にあって調整済温度検知手段よりも空気吹き出し口から遠く、被試験物が設置される領域の試験室内の温度であって試験室内の温度の中心温度を示す場所であると特定された位置の温度を検知する室内温度検知手段を有し、設定環境の温度と室内温度検知手段の検知温度から空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算し、調整済温度検知手段の検知温度が前記目標温度に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする環境試験装置である。

請求項２に記載の発明は、試験室と空気流路は、空気流路の空気導入部で連通するものであり、前記特定された位置が前記空気導入部の近傍の位置であ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。

請求項３に記載の発明は、空気調和部は送風機を有し、空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算する際に、送風機の送風量あるいは送風循環量を用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。

請求項４に記載の発明は、試験室内の温度の中心温度を示す場所は予備実験により特定された位置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。

請求項５に記載の発明は、空気吹き出し口の近傍にあって空気調和部で調整された直後の空気の相対湿度を検知する湿度検知手段を有し、湿度検知手段から空気調和部で調整された直後の空気の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度の少なくともいずれかからなる実水蒸気関連値を演算し、設定環境における空気の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度の少なくともいずれかからなる設定水蒸気関連値に、前記実水蒸気関連値が近づく様に空気調和部の機器を制御す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。

「所定の値に近づく様に空気調和部の機器を制御する」とは、「所定の値に一致する様に空気調和部の機器を制御する」場合を含む概念である。
本発明の環境試験装置では、室内温度検知手段を有し、当該室内温度検知手段は試験室内にあって被試験物に近い位置の温度を検知する。そして設定環境の温度と室内温度検知手段の検知温度から空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算する。
本発明によると、空気調和部で調整後の空気の温度は、設定環境の温度から外れる場合があるが、試験室内の温度については、設定環境の温度により近づく。
例えば室内温度検知手段の検知温度が設定環境の温度よりも低い場合は、空気調和部から設定環境の温度よりも高い温度の空気が吐出される様に目標温度が演算される場合がある。逆に室内温度検知手段の検知温度が設定環境の温度よりも高い場合は、空気調和部から設定環境の温度よりも低い温度の空気が吐出される様に目標温度が演算される場合がある。
本発明の環境試験装置では、被試験物の周囲の実際の温度に基づいて空気調和部の機器が制御され、現実の試験室内の温度を設定値に一致させることができる。

請求項６に記載の発明は、空気調和部で調整された空気又は試験室内の湿度を検知する湿度検知手段を有し、湿度検知手段から知られる現実の水蒸気量に関係する実水蒸気関連値が所定の値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の環境試験装置である。

上記した「湿度」は、相対湿度と絶対湿度の双方を含む概念である。「湿度検知手段から知られる」とは直接検知される場合と、演算を介して知られる場合の双方を含む。
本発明の環境試験装置では、空気調和部で調整された空気又は試験室内の湿度を検知する湿度検知手段を有している。そのため本発明では、現実の水蒸気量に関係する実水蒸気関連値を知ることができる。実水蒸気関連値とは、例えば水蒸気分圧である。
ここで水蒸気分圧は、気温に依存しない。そのため実水蒸気関連値を所定の値に近づく様に空気調和部の機器を制御すれば、現実の湿度を所望の値に合致させることができる。

請求項７に記載の発明は、前記所定の値は、設定環境における水蒸気量に関係する設定水蒸気関連値であり、実水蒸気関連値が、設定水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項６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、実水蒸気関連値が、設定水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御する。そのため現実の湿度を設定された値に合致させることができる。

請求項８に記載の発明は、前記所定の値は、設定環境における湿度を現実の温度条件下で維持するために要する水蒸気量に関係する必要水蒸気関連値であり、実水蒸気関連値が、必要水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項６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、実水蒸気関連値が、必要水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御する。そのため現実の湿度を設定された値に合致させることができる。

請求項９に記載の発明は、湿度検知手段は相対湿度を検知するものであり、湿度検知手段の近傍における温度を検知する補助温度検知手段を有し、補助温度検知手段が調整済温度検知手段を兼ねることを特徴とする請求項５乃至８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、湿度検知手段と補助温度検知手段を有しているので、絶対湿度や飽和水蒸気圧を知ることができる。また補助温度検知手段が調整済温度検知手段を兼ねるので部品点数が少なくて足る。

空気調和部は空気導入部と空気吹き出し部を有し、空気導入部と空気吹き出し部が試験室に開口するものであり、空気吹き出し部の近傍に湿度検知手段と、補助温度検知手段とが設けられていることが望ましい。

本構成によると、空気調和部で調整された直後の空気の湿度を検知することができる。

請求項１０に記載の発明は、乾湿球式湿度センサーを有し、当該乾湿球式湿度センサーが湿度検知手段と調整済温度検知手段を兼ねることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の環境試験装置である。

乾湿球式湿度センサーは、温度センサーを備えているから、調整済温度検知手段を兼ねることができる。
乾湿球式湿度センサーを採用する場合には、空気調和部の空気吹き出し部の近傍、又は空気導入部の近傍に乾湿球式湿度センサーを設置することが望ましい。

実水蒸気関連値は、現実の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度のいずれかであり、設定水蒸気関連値は、設定環境における水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度のいずれかを採用することができる（請求項１１）。

また方法に関する発明は、温度及び湿度を調整する機器を備えた空気調和部を動作させ、空気調和部の空気吹き出し口に繋がり被試験物が設置される所定の空間を所望の温度及び湿度の設定環境に維持する温湿度制御方法において、空気吹き出し口の近傍で空気調和部で調整された直後の空気の温度と湿度を検知し、空気調和部で調整された直後の空気の温度と湿度から空気調和部で調整された直後の空気の現実の水蒸気量に関係する実水蒸気関連値を演算し、実水蒸気関連値が設定環境における水蒸気量に関係する設定水蒸気関連値に近づく様に空気調和部を動作させ、被試験物が設置される領域の温度であって試験室内の温度の中心温度を示す場所であると特定された位置の温度を検知し、設定環境の温度と前記特定された位置の温度の差を利用して被試験物が設置される領域の温度を設定温度に維持するために必要な熱量又は冷熱量を演算して空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算し、空気調和部で調整された直後の空気の温度が前記目標温度に近づく様に前記空気調和部を制御することを特徴とする温湿度制御方法である（請求項１２）。

本発明の環境試験装置及び温湿度制御方法によると、所望の空間を、設定通りの温度及び湿度とすることができる。

本発明の実施形態の環境試験装置を概念的に表した断面図である。 本発明の実施形態の環境試験装置の温度制御のブロック図である。 本発明の他の実施形態の環境試験装置の温度制御のブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態の環境試験装置の温度制御のブロック図である。 従来技術における環境試験装置を概念的に表した断面図である。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。本実施形態の環境試験装置１の機械的構造は、従来技術と大差ない。即ち図１の様に、環境試験装置１は、断熱壁２によって覆われた断熱槽３を有している。そして当該断熱槽３の一部に試験室５が形成されている。試験室５は、被試験物１８を設置する空間である。
環境試験装置１は、さらに加湿装置６、冷却装置７、加熱ヒータ（加熱装置）８、及び送風機１０を備えている。
環境試験装置１には、試験室５と連通する空気流路１５があり、当該空気流路１５に加湿装置６と、冷却装置７と、加熱ヒータ（加熱装置）８、及び送風機１０が設けられている。冷却装置は、冷凍機１１を有している。
環境試験装置１では、前記した空気流路１５とその内部の部材によって空気調和部１７が構成されている。

また空気流路１５の空気吹き出し部１６の近傍に、乾湿球式湿度センサー２０が設けられている。乾湿球式湿度センサー２０は、乾側温度センサー２１と、湿側温度センサー２２によって構成されている。
本実施形態では、乾側温度センサー２１が補助温度検知手段及び調整済温度検知手段としての機能を兼ねている。
乾湿球式湿度センサー２０は、空気流路１５の空気吹き出し部１６の近傍に設けられており、空気調和部１７で調整された直後の空気の相対湿度を検知することができる。また乾湿球式湿度センサー２０の乾側温度センサー２１は、調整済温度検知手段としても機能し、空気調和部１７で調整された直後の空気の温度を検知することができる。

本実施形態の環境試験装置１は、従来技術の構成に加えて室内温度検知手段２３が設けられている。室内温度検知手段２３は、公知の温度センサーであり、試験室５内にあって試験室５内の温度を検知する。即ち実際に被試験物１８が設置される領域の温度を室内温度検知手段２３によって検知することができる。
本実施形態では、室内温度検知手段２３は移動可能であり、試験内容に応じて任意の位置に設置することができる。

常識的に、室内温度検知手段２３の設置位置は、空気流路１５の空気吹き出し部１６及び空気導入部２５のいずれからも離れており、被試験物１８が設置される場所に近い位置である。相対的に説明すると、室内温度検知手段２３の設置位置は、乾湿球式湿度センサー２０よりも被試験物１８に近く、空気吹き出し部１６から遠い位置である。また室内温度検知手段２３の設置位置は、乾湿球式湿度センサー２０が設置された位置よりも風速が遅い位置でもある。

環境試験装置１は、図１の様に制御装置２７を有し、制御装置２７によって空気調和部１７が動作される。制御装置２７は、温調器３０の機能も有している。また制御装置２７には、設定値を入力する設定入力手段２６が接続されている。設定入力手段２６は、公知のタッチパネル等である。
さらに制御装置２７には記録装置３１が接続されている。記録装置３１は、試験室５内の温度と湿度を記録するものである。

本実施形態の環境試験装置１は、特有の温湿度制御方法によって環境が制御される。以下、説明する。
前記した制御装置２７には、前記した乾側温度センサー２１と、湿側温度センサー２２及び室内温度検知手段２３の検出信号が入力される。また制御装置２７には、設定入力手段２６によって設定温度と設定湿度とが入力される。

また制御装置２７には図示しないＣＰＵが内蔵されており、次の演算が行われる。
（１）実水蒸気関連値の算出
制御装置２７では、乾側温度センサー２１と、湿側温度センサー２２の検知信号が入力され、空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧が演算される。
より具体的には、乾側温度センサー２１が検知した空気調和部１７から排出された直後の空気の温度から、飽和水蒸気圧が演算される。また乾側温度センサー２１又は湿側温度センサー２２の検出値と、両者の差から湿度が演算される。
さらに飽和水蒸気圧と湿度の積によって空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧が演算される。

（２）設定水蒸気関連値の算出
制御装置２７では、設定入力手段で入力された設定温度と設定湿度から、設定環境における水蒸気分圧が演算される。
より具体的には、設定温度における飽和水蒸気圧が演算され、当該飽和水蒸気圧と、設定湿度の積によって設定環境における水蒸気分圧が演算される。

（３）吐き出し適正温度の算出
制御装置２７では、設定温度と室内温度検知手段２３の検知温度に基づいて必要な熱量又は冷熱量が演算され、空気調和部１７で調整後の空気の目標温度（吐き出し適正温度）が算出される。
即ち設定温度と室内温度検知手段２３の検知温度の差を利用し、試験室５内の温度を設定温度に維持するために必要な熱量が演算される。そして当該演算値と、送風機１０の送風量あるいは送風循環量から、空気調和部１７で調整後の空気の目標温度（吐き出し適正温度）を算出する。
吐き出し適正温度は必ずしも設定温度とは一致せず、設定温度よりも高い場合も低い場合もある。
室内温度検知手段２３の検知温度が設定環境の温度よりも低い場合は、演算される吐き出し適正温度は設定温度よりも高くなる傾向となる。逆に室内温度検知手段２３の検知温度が設定環境の温度よりも高い場合は、吐き出し適正温度は設定温度よりも低くなる傾向がある。

本実施形態の環境試験装置１では、制御装置２７によって、乾側温度センサー（調整済温度検知手段）２１の検知温度が、空気調和部１７で調整直後の空気の目標温度（吐き出し適正温度）と一致する様に、空気調和部１７に対する制御信号が作成される。
より具体的には、乾側温度センサー（調整済温度検知手段）２１の検知温度がフィードバックされ、乾側温度センサー２１の検知温度が、試験室５内の温度を設定入力手段で入力された設定温度と一致させるのに適切な熱量を持つ目標温度（吐き出し適正温度）となる様に、空気調和部１７内の各機器が制御される。

さらに具体的に説明すると、本実施形態では、室内温度検知手段２３が検知する試験室５内の温度と、乾側温度センサー（調整済温度検知手段）２１が検知する調整直後の空気の温度が制御装置２７に入力され、ＰＩＤ制御によって空気調和部１７で調整後の空気の目標温度（吐き出し適正温度）が演算される。そしてさらにこの演算値を入力し、空気調和部１７内の各機器がＰＩＤ制御される。
この様に本実施形態では、二重のフィードバック制御によって空気調和部１７内の各機器が制御される。より詳細には、二重のＰＩＤ制御によって空気調和部１７内の各機器が制御される。

また、制御装置２７で演算された空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧が、設定環境における水蒸気分圧と一致する様に空気調和部１７内の各機器が制御される。即ち加湿する必要がある場合は、加湿装置６の出力を増加させて空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧を上昇させる。除湿する必要がある場合は、加湿装置６の出力を低下させるか、冷凍機１１の冷媒蒸発温度を低下させて空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧を降下させる。
水蒸気分圧を一致させる制御についても、公知のＰＩＤ制御が採用されている。

制御装置２７における信号の流れ、あるいはソフトウエア上の流れは、図２の通りである。
即ち設定温度の情報と設定湿度の情報が、水蒸気分圧計算部（設定）に送られて設定環境における水蒸気分圧が演算される。設定温度の情報は、前記した設定入力手段２６から制御装置２７に入力された情報である。設定湿度の情報も同様であり、設定入力手段２６から制御装置２７に入力された情報である。

また吹き出し部１６近傍の乾球温度と、湿球温度が水蒸気分圧計算部（実際）に送られて空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧が演算される。
ここで吹き出し部１６近傍の乾球温度は、乾側温度センサー２１から制御装置２７に入力される情報であり、吹き出し部１６近傍の湿球温度は、湿側温度センサー２２の検知信号である。
設定環境における水蒸気分圧を示す信号と、空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧を示す信号が、それぞれ加湿装置６を制御するＰＩＤ制御部と、冷凍機１１を制御して除湿量を調節するＰＩＤ制御部に送られる。そして各ＰＩＤ制御部によって加湿装置６と冷凍機１１が制御される。

また試験室５内の温度と、設定温度と、乾側温度センサー２１の検知温度が、カスケード制御部に入力され、吐き出し適正温度が演算される。即ちカスケード制御部は、ＰＩＤ制御を実行し、試験室５内の温度が、設定温度となる為の空気調和部１７からの吐き出し適正温度が演算される。
試験室５内の温度は、室内温度検知手段２３が検知した検知温度であり、設定温度は、設定入力手段２６で入力された値である。また乾側温度センサー２１は、調整済温度検知手段としての機能を果たし、空気調和部１７で調整された直後の空気の温度を検知してカスケード制御部に送信する。

そしてカスケード制御部の出力信号と、乾側温度センサー２１の信号が、それぞれ加熱装置８を制御するＰＩＤ制御部と、冷凍機１１を制御して冷却量を調節するＰＩＤ制御部に送られる。そして各ＰＩＤ制御部によって加熱装置８と冷凍機１１が制御される。

本実施形態の環境試験装置１では、試験室５内の実際の温度を室内温度検知手段２３で検知し、これに基づいて空気調和部１７で調整された直後の空気の温度を二段階にフィードバックして空気調和部１７内の各機器を制御し、試験室５内の温度を調節するので、試験室５内の温度が設定温度に一致する。そのため、環境試験装置１では、従来の様に設定温度をオフセットして入力する必要はない。
また本実施形態の環境試験装置１では、空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧を検知し、これをフィードバックして設定環境における水蒸気分圧と一致させる。
水蒸気分圧は、気温に依存しないので、試験室５内の温度が設定温度に一致した際には、試験室５内の湿度も設定値に一致することとなる。
そのため、環境試験装置１では、従来の様に設定湿度をオフセットして入力する必要はない。

以上説明した実施形態では、湿度検知手段として乾湿球式湿度センサー２０を採用した。乾湿球式湿度センサー２０は、乾側温度センサー２１を有し、別途の補助温度検知手段や調整済温度検知手段を設ける必要が無いという点で推奨される。
しかしながら本発明は、この構成に限定されるものではなく、他の物理現象を利用した湿度センサーを採用することもできる。例えば吸湿材の電気特性の変化を測定して湿度を求める電気式湿度センサーを利用することもできる。
ただし乾湿球式湿度センサー２０以外の湿度センサーを利用する場合は、湿度センサーの近傍に別途の補助温度検知手段等の温度センサーを設ける必要がある。

例えば電気式湿度センサーを利用する場合の実水蒸気関連値の算出方法は、次の通りとなる。
即ち制御装置２７では、電気式湿度センサーと補助温度検知手段の検知信号が入力される。そして補助温度検知手段が検知した空気調和部１７から排出された直後の空気の温度から、飽和水蒸気圧が演算される。
そして飽和水蒸気圧と、電気式湿度センサーが検出した湿度の積によって空気調和部１７から排出された直後の空気の水蒸気分圧を演算する。
制御装置２７における信号の流れ、あるいはソフトウエア上の流れは、図３の通りである。

また上記した実施形態では、設定水蒸気関連値を算出したが、これに代わって必要水蒸気関連値を算出し、これを設定水蒸気関連値の代わりに使用してもよい。必要水蒸気関連値の算出は次の手順によって行われる。
（４）必要水蒸気関連値の算出
必要水蒸気関連値は、設定環境における湿度を現実の温度条件下で維持するために要する水蒸気分圧である。
制御装置２７では、室内温度検知手段２３の検知温度と設定湿度から、設定環境における湿度を現実の温度条件下で維持するために要する水蒸気分圧が演算される。
より具体的には、現実の温度における飽和水蒸気圧が演算され、当該飽和水蒸気圧と、設定湿度の積によって現実の温度条件下で設定の湿度とする為の水蒸気分圧を演算する。

また上記した実施形態では、加熱装置８と冷凍機１１の双方をＰＩＤ制御したが、いずれか一方だけをＰＩＤ制御し、他方を常時一定の出力で運転してもよい。いずれか一方をＰＩＤ制御する場合には、加熱装置８だけをＰＩＤ制御することが望ましい。即ち加熱装置８だけをフィードバック制御することが望ましい。この場合の制御装置２７における信号の流れ、あるいはソフトウエア上の流れは、図４の通りである。

また以上説明した実施形態では、実水蒸気関連値等をいずれも演算によって求めたが、入力値に対する水蒸気分圧等の関係を予め記憶しておいてもよい。
また上記した実施形態では、実水蒸気関連値等として水蒸気分圧を利用したが、これに代わって水蒸気量や絶対湿度を利用することも可能である。要するに、湿度に関連し、温度に依存しない物理量を実水蒸気関連値等として採用する。

また上記した実施形態では、吐き出し適正温度を算出し、空気調和部１７で調整された直後の空気が吐き出し適正温度となる様に制御した。参考技術として、上記した実施形態に対し、試験室５内の温度が設定温度となる様に空気調和部１７から吐出される空気の温度を制御することも考えられる。即ち参考技術として、吐き出し適正温度を演算する過程を経ることなく、直接、試験室５内の温度を空気調和部１７にフィードバックすることが考えられる。

しかしながら、この参考技術は弊害が大きい。
特に上記した実施形態の様に室内温度検知手段２３を移動可能とした場合には弊害がある。即ち上記した実施形態の環境試験装置１は、室内温度検知手段２３の位置を試験内容に合わせて変えることができる。
室内温度検知手段２３を移動可能とし、且つ直接、試験室５内の温度をフィードバック制御する方策を採用すると、試験室５内の温度がオーバーシュートしたりアンダーシュートしてしまう傾向がある。またハンチングを起こしやすいという問題もある。
この理由は、室内温度検知手段２３の設置位置によって室内温度検知手段２３の応答時間が変わってしまうからである。
一方、上記した様に、吐き出し適正温度を算出する方策によると、空気調和部１７で調整された直後の温度を測定する位置が一定であり、温度応答時間が一定となるので、試験室５内の温度に乱れが少ない。

また公知のＰＩＤ制御装置には、ＰＩＤパラメータを変更できるだけでなく、操作量の上限や下限を設定することができるものも多い。そのため被試験物の量や、発熱の有無による負荷変動があった場合に、上限や下限の設定や、ＰＩＤパラメータを変更することにより、空気調和部１７内の温度制御とは切り離して問題解決を図ることができる。

本発明の温湿度制御方法は、安定性試験以外の試験を実施する環境試験装置にも適用可能である。さらに本発明の温湿度制御方法は、環境試験装置以外のものにも適用可能である。

上記した実施形態の環境試験装置１は、室内温度検知手段２３の設置場所を変更することができるが、温度分布を重視する環境試験を行う場合には、予備実験を行って試験室５内の温度分布を測定し、その中心温度を示す位置に室内温度検知手段２３を設置する。
なお本発明者らの実験によると、空気導入部２５の近傍が、温度分布の中心温度を示す位置である場合が多い。
被被試験物１８が発熱または吸熱するものである場合は、被試験物１８の近傍に室内温度検知手段２３を設置することが望ましい。

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。
（実験１）
本発明の実施形態として、図１に示す構造及び図２に示す制御方法の環境試験装置１を使用した。
設定入力手段２６により、設定温度として摂氏２５度、設定相対湿度として６０パーセントを入力した。
その結果、試験室５内の温度は設定通りの摂氏２５度となり、試験室５内の相対湿度は、設定通りの６０パーセントとなった。
なお空気調和部１７から吐出された直後の空気は、摂氏２７度であり、相対湿度は５３パーセントであった。

これに対して従来技術の環境試験装置１００によると、設定温度が摂氏２５度であるにも係わらず室内温度は摂氏２３度であった。また設定相対湿度は、６０パーセントであるにも係わらす試験室５内の相対湿度は６８パーセントであった。

（実験２）
本発明の実施形態として、図１に示す構造及び図２に示す制御方法の環境試験装置１を使用した。そして設定温度と試験室５の各部（１０点）の温度分布及び湿度分布を比較した。なお設定温度は、摂氏４０度、設定相対湿度は７５パーセントであった。
その結果、設定温度と試験室５各部の温度差は、摂氏０．５度未満であった。
設定相対湿度と試験室５各部の相対湿度との湿度差は、２．５パーセント未満であった。

これに対して従来技術の環境試験装置１００によると、設定温度と試験室５各部の温度との温度差は、最大で摂氏１．８度であった。
設定相対湿度と試験室５各部の相対湿度との湿度差は、最大で６．５パーセントであった。

（実験３）
本発明の実施形態として、図１に示す構造及び図２に示す制御方法の環境試験装置１を使用した。設定温度は摂氏１５度、設定相対湿度を５０パーセントに設定した。
そして試験室５内に３ＫＷの熱負荷（熱源）を設置し、初めに熱負荷を掛けない状態で環境試験装置１を運転し、一定時間が経過して試験室５の環境が安定した後に３ＫＷの熱負荷を起動した。
その結果、熱負荷を掛けない状態における試験室５内の温度は設定通りの摂氏１５度となり、試験室５内の相対湿度は、設定通りの５０パーセントとなった。
なお空気調和部１７から吐出された直後の空気は、摂氏１４度であり、相対湿度は５０パーセントであった。
３ＫＷの熱負荷を起動した直後は、試験室５内の環境が乱れたが、約１０分後には収斂して試験室５内の温度は設定通りの摂氏１５度となり、試験室５内の相対湿度は、設定通りの５０パーセントとなった。
なお空気調和部１７から吐出された直後の空気は、摂氏１２度であり、相対湿度は５０パーセントであった。

これに対して従来技術の環境試験装置１００によると、熱負荷を掛けない状態における試験室５内の温度は摂氏１６度となり、試験室５内の相対湿度は、４８パーセントとなった。
即ち試験室５内の温度は、設定温度に対して摂氏１度高くなってしまった。また試験室５内の相対湿度は、設定温度に対して２パーセント低くなってしまった。
また３ＫＷの熱負荷を起動した直後は、試験室５内の環境が乱れた。そして約１０分後には収斂したが、試験室５内の温度及び相対湿度と、設定温度等との差はより広がってしまった。即ち試験室５内の温度は摂氏１８度となり、試験室５内の相対湿度は４６パーセントとなってしまった。

（実験４）
本発明の実施形態として、図１に示す構造及び図２に示す制御方法の環境試験装置１を使用した。設定環境を摂氏１５度、相対湿度５０パーセントに設定して環境試験装置１を運転した。運転の最中に、３ＫＷの熱負荷を入り切りした。また運転の最中に、環境試験装置１の扉を開閉した。
またこれに連続して設定環境を摂氏３０度、相対湿度８０パーセントに切替え、先と同様に運転の最中に、３ＫＷの熱負荷を入り切りした。また運転の最中に、環境試験装置１の扉を開閉した。

その結果、３ＫＷ熱負荷を投入した直後や、扉を開閉した直後、設定を変更した直後は、試験室５内の環境が乱れるものの、時間の経過と共に設定環境に収斂した。

以上の各結果から、本発明の環境試験装置１の優位性が理解できる。

１ 環境試験装置
２ 断熱壁
５ 試験室
６ 加湿装置
７ 冷却装置
８ 加熱ヒータ（加熱装置）
１０ 送風機
１１ 冷凍機
１５ 空気流路
１６ 空気吹き出し部
１７ 空気調和部
１８ 被試験物
２０ 乾湿球式湿度センサー
２１ 乾側温度センサー
２２ 湿側温度センサー
２３ 室内温度検知手段
２６ 設定入力手段
２７ 制御装置

Claims (12)

1. 被試験物を設置する試験室と、温度及び湿度を調整する機器を内蔵し前記機器で調整された空気を試験室に導入する空気調和部とを有し、空気調和部内の機器を制御することによって試験室内の環境を所望の設定環境に維持する環境試験装置において、
   試験室と環状に連通する空気流路があり、空気流路とその内部の部材によって前記空気調和部が構成されており、
   試験室と空気流路は、空気流路の空気吹き出し口で連通し、
   空気吹き出し口の近傍にあって空気調和部で調整された直後の空気の温度を検知する調整済温度検知手段と、
   試験室内にあって調整済温度検知手段よりも空気吹き出し口から遠く、被試験物が設置される領域の試験室内の温度であって試験室内の温度の中心温度を示す場所であると特定された位置の温度を検知する室内温度検知手段を有し、
   設定環境の温度と室内温度検知手段の検知温度から空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算し、調整済温度検知手段の検知温度が前記目標温度に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする環境試験装置。
2. 試験室と空気流路は、空気流路の空気導入部で連通するものであり、
   前記特定された位置が前記空気導入部の近傍の位置であることを特徴とする請求項１に記載の環境試験装置。
3. 空気調和部は送風機を有し、空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算する際に、送風機の送風量あるいは送風循環量を用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. 試験室内の温度の中心温度を示す場所は予備実験により特定された位置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. 空気吹き出し口の近傍にあって空気調和部で調整された直後の空気の相対湿度を検知する湿度検知手段を有し、
   湿度検知手段から空気調和部で調整された直後の空気の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度の少なくともいずれかからなる実水蒸気関連値を演算し、
   設定環境における空気の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度の少なくともいずれかからなる設定水蒸気関連値に、前記実水蒸気関連値が近づく様に空気調和部の機器を制御す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. 空気調和部で調整された空気又は試験室内の湿度を検知する湿度検知手段を有し、湿度検知手段から知られる現実の水蒸気量に関係する実水蒸気関連値が所定の値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の環境試験装置。
7. 前記所定の値は、設定環境における水蒸気量に関係する設定水蒸気関連値であり、実水蒸気関連値が、設定水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項６に記載の環境試験装置。
8. 前記所定の値は、設定環境における湿度を現実の温度条件下で維持するために要する水蒸気量に関係する必要水蒸気関連値であり、実水蒸気関連値が、必要水蒸気関連値に近づく様に空気調和部の機器を制御することを特徴とする請求項６に記載の環境試験装置。
9. 湿度検知手段は相対湿度を検知するものであり、湿度検知手段の近傍における温度を検知する補助温度検知手段を有し、補助温度検知手段が調整済温度検知手段を兼ねることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の環境試験装置。
10. 乾湿球式湿度センサーを有し、当該乾湿球式湿度センサーが湿度検知手段と調整済温度検知手段を兼ねることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の環境試験装置。
11. 実水蒸気関連値は、現実の水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度のいずれかであり、設定水蒸気関連値は、設定環境における水蒸気量、水蒸気分圧、絶対湿度のいずれかであることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれかに記載の環境試験装置。
12. 温度及び湿度を調整する機器を備えた空気調和部を動作させ、空気調和部の空気吹き出し口に繋がり被試験物が設置される所定の空間を所望の温度及び湿度の設定環境に維持する温湿度制御方法において、
    空気吹き出し口の近傍で空気調和部で調整された直後の空気の温度と湿度を検知し、
    空気調和部で調整された直後の空気の温度と湿度から空気調和部で調整された直後の空気の現実の水蒸気量に関係する実水蒸気関連値を演算し、実水蒸気関連値が設定環境における水蒸気量に関係する設定水蒸気関連値に近づく様に空気調和部を動作させ、
    被試験物が設置される領域の温度であって試験室内の温度の中心温度を示す場所であると特定された位置の温度を検知し、
    設定環境の温度と前記特定された位置の温度の差を利用して被試験物が設置される領域の温度を設定温度に維持するために必要な熱量又は冷熱量を演算して空気調和部で調整後の空気の目標温度を演算し、空気調和部で調整された直後の空気の温度が前記目標温度に近づく様に前記空気調和部を制御することを特徴とする温湿度制御方法。

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