JP2008064404A - 蓄熱媒体直接混入式温調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の液体などを媒体とする循環式温調装置は戻ってきた設定温度より変化した温度を持つ媒体を再度加熱又は冷却する方法で温度調整するが、その方法では媒体が加熱又は冷却の熱交換器との表面接触で伝熱するので温調の時間がかかる。又、温度の大きく変化した媒体を瞬時に設定温度まで調整する為に、加熱能力と冷却能力を大きく備える必要がある。
【解決手段】予め設定温度より高く加熱した高温媒体と低く冷却した低温媒体を蓄える高温蓄熱タンクと低温蓄熱タンクを設け、その２つの蓄熱タンクと循環回路の間に３方バルブのようなバルブを接続し、普段がバルブと蓄熱タンクの間の通路を閉じ、循環媒体の温度が変化する時のみ、そのバルブの開度調整で、温調装置に戻ってきた媒体の温度と設定温度との差に合わせて、一定量の高温媒体又は低温媒体を混入させることによって効率良く設定温度に温度調整を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の媒体を循環して温度調整する循環式温調装置の温調方法に関するものである。

製造装置、機械、建物の空調などによく使われている液体を媒体にする循環式温調装置の殆どが、循環して戻ってきた媒体を再度加熱と又は冷却することにより温度調整を行う。循環媒体を加熱又は冷却するのに、媒体を加熱部分又は冷却部分との表面接触伝熱によって温度調整する方法が使われている。

循環して戻ってきた媒体と加熱部分又は冷却部分熱交換器との表面接触伝熱による温調方法は伝熱効果が悪いため、温調装置の反応速度が遅い。

媒体の加熱効果又は冷却効果を上げるために、熱交換器の媒体との接触面積を大きくする。そのための加熱又は冷却の様々な熱交換部品が開発されているが、基本的に表面接触伝熱という温調方法が変わっていないため、効果に限界がある。

又、温調装置に戻ってきた媒体を瞬時に加熱又は冷却するために、温調装置の加熱又は冷却のパワーを大きく設けなければならない。
特開２００５−２２５０４２

解決しようとする問題点は、従来の液体を媒体として循環させる温調装置は戻り口に戻ってきた設定温度より変化した温度を持つ媒体を再度加熱又は冷却する方法で温度調整するが、この方法では媒体が加熱部分又は冷却部分との表面接触伝熱しかできないので、充分な熱交換には時間がかかる。又、大きく温度変化した媒体を瞬時に設定温度に調整するために、加熱能力と冷却能力を大きく備える必要がある。それにより装置のエネルギー消費量が大きくなるだけではなく、温調反応速度が遅い点がある他に、温度変化に関する要素が多く、制御しにくい問題もある。

本発明は、従来の循環式温調装置のように戻ってきた設定温度と温度差のある媒体を熱交換器で加熱又は冷却するのではなく、予め設定温度より高く加熱した高温媒体と低く冷却した低温媒体を容器に蓄えておき、温調装置に戻ってきた媒体の温度と設定温度の差に合わせて、高温媒体又は低温媒体を直接混入することによって循環媒体を設定温度に一気に到達させるため、加熱部分又は冷却部分との表面接触伝熱を行うことより効率的に温度調整できることを最も主要な特徴とする。

図１のように、循環式温調装置と温調対象で構成する温調回路に、設定温度より高い温度の高温蓄熱タンク３と設定温度より低い温度の低温蓄熱タンク４を有し、循環回路がその２つの蓄熱タンクとの間にそれぞれ２つの３方バルブ5-1、5-2、5-3、5-4をタンクと接続してある。循環回路の温度調整はそれらのバルブの開度調整で循環回路中の媒体を高温又は低温蓄熱タンクの媒体と直接入れ換えることによって行う。タンクからの蓄熱媒体の混合量は媒体の比熱、温度差によって計算され、バルブの開度と時間の調整で回路全体の温度調整を行う。

その循環温調回路中の循環媒体が設定温度で循環している時は、３方バルブ5-1、5-2、5-3、5-4が循環媒体を蓄熱タンクと閉じて、タンクをバイパスする回路を経て循環するが、循環回路内の媒体の温度が設定温度より変化した場合、その温度変化に合わせて、温度が低くなった場合、高温蓄熱タンク３側のバルブ5-1、5-2が循環媒体の一部をタンク内の温度の高い媒体と入れ換えるように開度を調整し、循環回路の一部の媒体がバルブ5-1より蓄熱タンク３に流入すると共に、蓄熱タンク内の蓄熱された媒体がバルブ5-2より循環回路に混入させる。

逆に循環媒体の温度が高くなった場合は、その過程が低温蓄熱タンク４とバルブ5-3、5-4で行う。

図１は本発明の実施例の一つで、その４つの３方バルブで構成する回路は本発明を理解しやすいように書いているが、実施時には、その混合用のバルブは図示の４つの３方バルブと同じ、循環回路の温度が変化しない時に、蓄熱タンクとの媒体の交換をしなく、温度変化時のみ、高温蓄熱タンク或いは低温蓄熱タンクの蓄熱媒体と入れ換える機能を有するバルブを使うこともできる。

このような蓄熱媒体を直接混入することによる循環回路の温度調整は従来の熱交換器との表面接触熱伝達式温調より瞬時に温度変換が可能にし、温度制御を簡単に流量制御に変えられ、従来の温度調整の伝熱効率、流量、温度差などの複雑な温度に影響する変動要素を考えずに行え、より正確な温度制御を実現できるようになる。

本発明は予め設定温度より高く加熱した媒体（高温媒体）と低く冷却した媒体（低温媒体）を容器に蓄えておき、温調装置に戻ってきた媒体の温度と設定温度の差に合わせて、適量の高温媒体又は低温媒体を循環中の媒体と入れ換えることによって循環媒体の温度を瞬時に設定温度に到達させ、従来の媒体が加熱部分又は冷却部分が加熱体あるいは冷却体との表面接触伝熱で温度変化させる方法より効率的に温度調整方法である。

本発明は、循環式温調装置に戻ってきた媒体を加熱部分又は冷却部分での表面接触伝熱を行わずに、予め加熱又は冷却した媒体を直接混入する方法で温度調整を行う。これにより、設定温度に到達する時間を大幅に短縮し、温調効果を高めることができる。

又、温度差、媒体の流量と比熱などを基に、直接混入する高温媒体又は低温媒体の量を容易に算出できるので、制御用の数学モデルが簡単で、高い温度制御精度と安定した温度調整ができる。

さらに、循環式温調装置に戻ってきた媒体を再度加熱又は冷却する過程を温調回路内で行わずに蓄熱容器内で行うため、エネルギーの消費量が平均化し、加熱部分又は冷却部分のパワーをより小さくでき、熱交換器も容易に作ることができる。

本発明は、温調循環回路の温度が安定している時に、高温又は低温蓄熱タンクとの媒体の交換をしないので、従来の温調装置（図２）のように何時も加熱と冷却を行うことがなく、半導体、液晶加工装置など間歇熱負荷の温度調整に対し、必要の時だけ必要なエネルギーしかを使わないので、省エネの効果が発揮することも特徴の一つである。

加熱又は冷却の媒体容器は使用環境に合わせて、余裕のある容量を設けることが本発明を利用する循環式温調装置を安定に動作させる主な条件で、循環媒体と予め加熱した高温媒体又は冷却した低温媒体の混入量は直接、混入後の循環媒体温度に影響するため、循環式温調装置の温調精度に合わせて、混合媒体用の混合バルブとその制御部の設計と部品選定が重要である。本発明を利用する循環式温調装置は従来の循環式温調装置よりも温度変化が激しいので、循環回路の設計において、その特徴を配慮する必要がある。循環式温調装置の循環流量は温度制御への影響が大きいので、混合バルブの設計はメイン循環回路の循環流量への影響を最小限にする必要がある。

又、本発明は従来の温度調整を流量調整で済ませるため、混合用のバルブの精度と分解能は直接に温度制御精度と安定度に影響するので、より精密と高分解能のバルブ若しくはバルブ組合せがよりよい結果となる。

図１は、本発明の１実施例の略図であって、循環ポンプ１、温調対象２、高温蓄熱タンク３、低温蓄熱タンク４と５は混合バルブで構成する。

ポンプ１で循環される媒体が温調対象２の温度が安定で温度変化しない時、高温蓄熱タンク３と低温蓄熱タンク４の媒体が混入せずに循環する。温調対象２が温度変化する時に、循環媒体の温度も次第に変化する。

循環媒体の温度変化に合わせて、混合バルブ５を調整することによって、高温蓄熱タンク３又は低温蓄熱タンク４の中の媒体を循環回路に混入し、温調対象２の温度変化を抑えることができる。循環媒体を加熱させる時は、バルブ５の内部の３方バルブ5-1、5-2を同時に開き、循環回路中の媒体の一部をタンク３の中の蓄熱される媒体と入れ換えで循環回路の媒体を加熱するが、逆に冷却させる時にはバルブ５内の5-3、5-4でタンク４の低温蓄熱媒体を混入して行う。

又は、温調対象２の温度が上昇又は下降させる時も、その温度変化に合わせて、混合バルブ５を調整し、高温蓄熱タンク３又は低温蓄熱タンク４の媒体を混入することで温調対象２の温度を調整することもできる。

図２は、従来の液体循環式温調装置の略図であって、６は冷却熱交換器、７は加熱熱交換器、８はヒーター、９は冷却循環回路で、循環回路から戻ってきた媒体は冷却熱交換器６で冷却された後、更に加熱熱交換器７で加熱される温調方法で、このような方法では、加熱と冷却を同時に行い、その加熱と冷却の量を制御することで温度調整を行う。従来の方式は何れも加熱、冷却のエネルギーは熱交換器を経て循環媒体に与えるのが特徴である。

図２は温調対象２の温度が安定するときも、加熱と冷却を同時に行え、エネルギーを消費する典型的な液体循環式温調装置の１例である。

本発明の直接混入式循環式温調装置の実施例である。 従来の液体循環式温調装置の１例である。

符号の説明

１ ポンプ
２ 温調対象
３ 高温蓄熱タンク
４ 低温蓄熱タンク
５ 混合バルブ
６ 冷却熱交換器
７ 加熱熱交換器
８ ヒーター
９ 冷却循環回路

Claims (1)

1. 液体、気体を循環媒体とする循環式温調装置において、予め設定温度より高く加熱した媒体と低く冷却した媒体を容器に貯蓄し、温調装置に戻ってきた媒体の温度と設定温度の差に合わせて、一定量の蓄熱された媒体を混入することによって媒体の混合後の温度を設定温度に到達させ、加熱と冷却部分の接触伝熱することなく温度調整する方法。