JP2009139062A

JP2009139062A - 温度調整装置

Info

Publication number: JP2009139062A
Application number: JP2007318629A
Authority: JP
Inventors: Kenji Izumi; 憲司泉; Takaaki Kashiwagi; 崇暁柏木; Tatsuaki Onishi; 辰明大西
Original assignee: Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: JP4555856B2

Abstract

【課題】冷却の後、加熱を行って精密空調を実行する温度調整装置において、外乱が発生した場合にも、この外乱を適切に吸収して、温度の変動幅を従来より格段に狭くできる温度調整装置を得ることにある。
【解決手段】冷却された温調対象流体を加熱する加熱手段を備え、蒸発器と加熱手段との間の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を降温設定範囲内とする形態で冷凍サイクルを運転制御するメイン制御手段と、加熱手段の出口側の温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を昇温設定範囲内とする形態で加熱手段を制御する加熱制御手段とを備え、加熱制御手段に、蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、加熱手段を制御する予測制御要素を含ませる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、クリーンルーム内の空気の、少なくとも温度をその目的温度に調整する温度調整装置に関する。

このような温度調整装置の一例として、特許文献１には、冷媒が、圧縮機１４、凝縮器１５、電子膨張弁１７及び蒸発器１９を循環する冷凍サイクルを備えた精密温湿度制御装置が開示されている。この特許文献１に記載の技術では、外気ＯＡを冷却する蒸発器１９の吹出側に再加熱器２０を設置し、圧縮機１４からでたホットガスの一部を再加熱器２０に導入し、そのホットガスで、蒸発器１９で冷却された空気を再加熱すると共にその再加熱された空気を加湿器２１で加湿して温湿度制御された空調空気ＳＡとする。そして、その際に、設定温度と空調空気ＳＡの温度に基づいて三方比例制御弁１６の分流比を制御する吹出温度制御部４０と、設定湿度と空調空気の湿度から加湿器２１での加湿量を制御する吹出湿度制御部４１と、その加湿器２１への制御出力と予め最小の加湿量となるように加湿出力設定値ＳＰ６とが入力され、これに基づいてインバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の開度、凝縮器１５への冷却水量を制御する制御出力をつくり出すための加湿出力制御部４５とを備えることで消費電力を低減できる。

この特許文献１に開示の技術では、蒸発器１９で冷却された空気（外気）が再加熱器により加熱されて空調空気とされるのであるが、当該明細書図３からも判明するように、蒸発器１９は単一備えられており、この蒸発器１９から流出する冷媒がそのまま圧縮機１４に送られる。

一方、特許文献２には、特許文献１に記載の精密温湿度制御装置とほぼ同様な構成の装置が開示されている。この特許文献２の図３に記載の精密温度制御装置では、蒸発器１９、再加熱器２０の他に、補助電機ヒータ５０が設けられている。従って、この精密温度制御装置では、外気温度と設定温度との偏差が大きい状況で、加熱は二段で行われ、外気温度と設定温度との偏差が大きく違う環境でも、良好に精密温度制御を行うことができる。

これら温度制御装置における温度制御の形態は、ともに、加熱手段により加熱操作を受けた後の温調対象流体の温度を検出して、その温度と設定温度との差を吸収するように、所謂、フィードバック制御を実行するものである。

特開２００３−３０２０８８号公報（図３）特開２００４−１７００４４号公報（図３）

しかしながら、上記のような制御構造を採用する場合にあって、温調が必要とされる空間（例えば温調室）に何らかの外乱がした場合、その外乱の影響は加熱手段の下流側の位置で初めて検出される構造となるため、検出に時間遅れが存在することとなり、フィードバック制御指令を受けた加熱手段が的確に、その外乱を吸収するように働けないという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却の後、加熱を行って精密空調を実行する温度調整装置において、外乱が発生した場合にも、この外乱を適切に吸収して、温度の変動幅を従来より格段に狭くできる温度調整装置を得ることにある。

上記目的を達成するための本発明に係る温度調整装置の第１特徴構成は、
冷媒が、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を記載順に循環する冷凍サイクルを備え、温調対象流体が前記蒸発器内を流れる冷媒により冷却される構成で、
前記蒸発器で冷却された前記温調対象流体を加熱する加熱手段を備え、
前記蒸発器と前記加熱手段との間の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を降温設定範囲内とする形態で前記冷凍サイクルを運転制御するメイン制御手段と、
前記加熱手段の出口側の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を昇温設定範囲内とする形態で前記加熱手段を制御する加熱制御手段とを備え、
前記加熱制御手段に、前記蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、前記加熱手段を制御して前記温調対象流体の温度を前記昇温設定範囲とする予測制御要素を含むことにある。

この温度調整装置では、温調対象流体を、その目標温度に対してある程度低い温度まで蒸発器で冷却した後、加熱手段により加熱することで、温調対象流体の温度を目標温度に制御することができる。しかしながら、メイン制御手段、加熱制御手段による制御は、それぞれ冷却後加熱前、加熱後の温調対象流体の温度に基づいて、冷凍サイクル、加熱手段を制御するため、上述のような外乱（冷却前の温調対象流体の温度に乗った外乱）に対しては、遅れて対応することとなり満足できるものではない。そこで、本願では、前記加熱制御手段に、前記蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、前記加熱手段を制御して前記温調対象流体の温度を前記昇温設定範囲とする予測制御要素を含むこととする。

この構成を採用することで、蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化（時間領域における温度の微分値に相当する）を検出し、外乱が含まれている温度の変化傾向を捉え、その変化傾向に対応し、これを吸収するように、加熱手段の出力を制御する。結果、加熱制御を、蒸発器に流入する温調対象流体の温度の変化状態に応じ、この変化を吸収するように行うことが可能となり、従来よりも的確な制御を行える。

そして、加熱手段として、一次加熱手段、二次加熱手段の２つの加熱手段を備える場合は、先の第１の特徴構成において、以下のように構成できる。
すなわち、前記加熱手段として、前記蒸発器で冷却された前記温調対象流体を加熱する一次加熱手段と、前記一次加熱手段で加熱された前記温調対象流体をさらに加熱する二次加熱手段とを備え、
前記加熱制御手段として、前記一次加熱手段と前記二次加熱手段との間の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を第１昇温設定範囲内とする形態で前記一次加熱手段を制御する第１加熱制御手段と、前記二次加熱手段の出口側の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を第２昇温設定範囲内とする形態で前記二次加熱手段を制御する第２加熱制御手段とを備え、
前記第１加熱制御手段もしくは前記第２加熱制御手段、あるいはそれらの両方に、前記蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、制御対象の加熱手段を制御して前記温調対象流体の温度を前記昇温設定範囲とする予測制御要素が含まれている構成とする。この構成が本願の第２の特徴構成である。
この構成を採用する場合は、温調対象流体は、蒸発器において一度冷却された後、一次加熱手段、二次加熱手段で順次加熱される。そして、温調対象流体を、その目標温度に対して所定温度低い温度まで蒸発器で冷却した後、一次加熱手段、二次加熱手段の設定温度を目標温度に近づけることで、温調対象流体の温度を目標温度に制御することができる。
ここで、一旦冷却を行った後、加熱を少なくとも２段で行うことで、冷凍サイクル側での冷却、これと対となる一次加熱でなお取りきれず、残存する温度変動を二次加熱で吸収することが可能となる。

さらに、蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化（時間領域における温度の微分値に相当する）を検出することで、外乱が含まれている温度の変化傾向を捉える。そして、予測制御は、一次加熱手段もしくは二次加熱手段、あるいはそれらの両方に関して、その加熱手段の位置で温度変化を吸収するように、加熱手段の出力を制御する。結果、一次加熱、二次加熱を外乱の状況に応じて順次行え、さらに適切な制御を行える。

一次加熱手段に対する制御に予測制御要素を加えることで、蒸発器の上流側で検出される温度変化の影響を、一次加熱手段での出力制御に加味し、一次加熱後の温度を所定の設定範囲内に容易に収めることができる。
二次加熱手段に対する制御に予測制御要素を加えることで、蒸発器の上流側で検出される温度変化の影響を、二次加熱手段での出力制御に加味し、二次加熱後の温度を所定の設定範囲内に容易に収めることができる。本願の構成にあっては、二次加熱を行った後の温調対象流体を、温調室に送ることとなるため、目標温度に良好に適合し、変動幅の狭い良好な精密温度調整を実現できる。
一次加熱手段に対する制御、二次加熱手段に対する制御の両方に予測制御要素を加えることで、上述の両者の効果を得ることができ、変動幅の狭い極めて好ましい制御状態を実現できる。

さて、これまで説明してきた構成において、予測制御に、前記温度変化の検出位置と前記加熱手段の位置との関係に起因するムダ時間要素が含まれていることが好ましい。
温度変化の検出位置に対して実際の加熱制御を行う位置は、その下流側となるため、検出手段で検出される温度変化が加熱手段の位置では、一定のタイムラグの後に出現することとなる。したがって、ムダ時間要素を含めることで、検出位置と制御位置との差を吸収できる。この構成が、本願第３の特徴構成である。

また、一次加熱、二次加熱を実行する構造を採用する場合に、前記二次加熱手段により加熱された温調対象流体を温調室に送るとともに、前記温調室から温調対象流体を少なくとも前記蒸発器を介して吸引するファンが設けられ、前記二次加熱手段に対して予測制御を実行することが好ましい。この構成が、本願第４の特徴構成である。
この構成の場合、温調室の流体は、温度調整装置に吸引されるとともに、温度調整後温調室に戻される。従って、温調室と温度調整装置との間で温調系が完結するのであるが、温度変動幅が小さく、目標温度に良好に制御された二次加熱後の温調対象流体を、温調室に送り、さらに、温度調整装置に吸引して必要な場合、温度調整することとなるため、迅速に系内の温度を目標温度に到達できるとともに、温度調整装置で必要となる温調負荷を低減できる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１、図２は本願に係る温度調整装置１００の構成を示す図面であり、装置１００を構成する各機器の配置、及びそれら機器を介して移流する流体の流れの概略を模式的に示した図面である。
図３は、当該温度調整装置１００に備えられる、温調対象流体である温調室１０１から取り込まれるエアーＡ１の流れに対する各機器の配置、及び本願独特の構成である過熱用流体とされる外気Ａ２（温調室１０１とは別空間である外部空間１０２にあるエアー）の流れに対する各機器の配置を示す図である。

図１、図２に示すように、本願に係る温度調整装置１００は、装置本体１の上部にヒータユニット２を載置して構成されている。ここで、装置本体１は、本体内に冷凍サイクルを備え、その冷凍サイクルを構成する第１蒸発器３ａにより温調対象流体Ａ１を冷却し、その下流側に備えられる第１ヒータ４ａ（このヒータは、本願に於ける第１加熱手段となるとともに、温調対象流体Ａ１に対して一次加熱手段となる）を使用して、温調対象流体Ａ１を所定の温度に加熱調整する機能を有している。温調対象流体Ａ１は、この装置本体１により、温調対象流体Ａ１の温度変動幅として±０．１℃程度まで調整することができる。
ヒータユニット２は、装置本体１の上部に設けられ、装置本体１において加熱調整を受けた温調対象流体Ａ１をユニット下部から受け入れ、内部に設けられた第３ヒータ４ｃ（このヒータは温調対象流体Ａ１に対して、所謂、二次加熱手段となる）により精密な温度調整を行う。このヒータユニット２により、温調対象流体Ａ１の温度変動幅として±０．０５℃程度まで調整することができる。

以上が、本願に係る温度調整装置１００の概要であるが、以下、装置本体１、ヒータユニット２に関して、順に詳細に説明する。
図１は温調対象空間としての温調室１０１に接続された状態の温度調整装置１００の概略構造を示す正面視図であり、図２は温度調整装置１００の側面図である。これら図には、ヒータユニット２が上側に連結された状態での装置本体１に設けられる温調対象流体Ａ１の取り入れ口７と排出口８の関係、及びヒータユニット２の取り入り口１５と排出口１６の関係が示されている。

装置本体
図１、図２に示すように、装置本体１は、その枠体の内部が上下２段に分割されて構成されており、機械室１ａに冷凍サイクルを構成する各機器（圧縮機９、凝縮器１０、電子膨張弁１１、第１蒸発器３ａ及び第２蒸発器３ｂ等）を備えて構成されるとともに、空調・制御室１ｂに装置本体１の動作を制御する制御装置１２ｍ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ等を備え、さらに第１ファン６ａを備えて構成されている。

まず、冷凍サイクルに関連する機器に関し説明すると、機械室１ａには、圧縮機９、凝縮器１０、電子膨張弁１１、第１蒸発器３ａ及び第２蒸発器３ｂが備えられている。さらに、温度調整装置として働くために、前記第１蒸発器３ａの装置本体前側に第１ヒータ４ａが備えられている。一方、第２蒸発器３ｂの装置本体後側に外気Ａ２を第２蒸発器３ｂに導入する第２ファン６ｂが備えられるとともに、当該第２ファン６ｂと第２蒸発器３ｂとの間に、第２ヒータ４ｂ（このヒータは、本願に於ける第２加熱手段となる）が備えられている。

空調・制御室１ｂには、装置本体前側に吸引口を備えた第１ファン６ａが備えられているが、この吸引口には、装置本体の側部に備えられる温調対象流体の取り入れ口７から第１蒸発器３ａ、第１ヒータ４ａを介して温調対象流体Ａ１を吸引するメイン吸引路Ｌ１と、温調対象流体Ａ１の取り入れ口７からダンパー５を介して温調対象流体Ａ１を直接吸引するバイパス吸引路Ｌ２とを形成できるように構成されている（図２参照）。ここで、メイン吸引路Ｌ１とバイパス吸引路Ｌ２とを流れる温調対象流体Ａ１の量は、前記ダンパー５の開度調整によって調整される。第１ファン６ａは、その吸引方向を水平方向とするとともに、その排出方向を上方としており、この第１ファン６ａから排出される温調対象流体Ａ１が上部に位置するヒータユニット２に流入する構造が採用されている。
従って、メイン吸引路Ｌ１を流れる温調対象流体Ａ１は、第１蒸発器３ａにおいて冷却された後、第１ヒータ４ａにより加熱され、温度調整を受けた状態で第１ファン６ａに吸引され、排出される。バイパス吸引路Ｌ２を流れる温調対象流体Ａ１は、何ら、冷却、加熱操作を受けることなく、そのまま第１ファン６ａに吸引され、排出される。

第２ファン６ｂ、第２ヒータ４ｂ及び第２蒸発器３ｂを巡る流路Ｌ３に関しては、装置本体１の背面に設けられた外気吸引口１３から第２ファン６ｂの働きにより吸引される外気が、第２ヒータ４ｂ、第２蒸発器３ｂを記載順に通過し、同じく装置背面に設けられた外気排出口１４より装置外部に排出される構成が採用されている。この構成により、第２ファン６ｂにより取り込まれた外気は、第２ヒータ４ｂにより暖められ、第２蒸発器３ｂにおいて冷却されるが、この時、第２蒸発器３ｂ内を流れる冷媒を過熱する。従って、外気は、本願にいう過熱用流体となる。

ヒータユニット
このヒータユニット２は、その底部に、先に説明した第１ファン６ａの排出口８に接続される温調対象流体Ａ１の流入口１５を備えるとともに、当該流入口１５の上部に第３ヒータ４ｃ（このヒータは、本願に於ける二次加熱手段となる）を備え、第３ヒータ４ｃにより加熱された温調対象流体Ａ１を排出する排出口１６をユニット側部に備えている。
このヒータユニット２により温調対象流体Ａ１は、目標温度に対して±０．０２℃程度まで精密調整される。また、このヒータ４ｃの下手側にＨＥＰＡフィルター１７を備えている。

以上が、本願に係る温度調整装置１００を構成する各機器の概略構成であるが、以下、図３に基づいて、その装置における温度調整運転に関して、機器の制御系を中心に説明する。
図３は、左側に冷凍サイクルに関係する機器を、中央から右側に温調対象流体の温調に関係する機器を描いたものである。この図において、中抜き矢印は、温調対象流体Ａ１の流れを示しており、上側が先に説明したメイン吸引路Ｌ１を流れる温調対象流体Ａ１を示し、下側がバイパス吸引路Ｌ２を流れる温調対象流体Ａ１を示している。温調対象流体Ａ１は温度調整を受けた後、温調室１０１に戻される。一方、左端に描かれている一点鎖線は過熱用流体Ａ２の流路Ｌ３を示しており、第２蒸発器３ｂで過熱の用に供される外気の流れを示している。この過熱用流体Ａ２は、過熱の用に供された後、温調室１０１以外の空間１０２（例えば、外気が流通する外部空間）に戻される。

冷凍サイクル
冷凍サイクルは、これまでも説明してきたように、冷媒ｃが、圧縮機９、凝縮器１０、電子膨張弁１１、第１蒸発器３ａ及び第２蒸発器３ｂを記載順に循環する構成とされており、気相状態で圧縮機９に戻ってくる冷媒は、当該圧縮機９において圧縮され、凝縮器１０に送られる。当該凝縮器１０にあっては、冷却水ｗとの熱交換で冷却され凝縮する。そして、電子膨張弁１１に移流されて膨張によりさらに冷却され、第１蒸発器３ａに到る。この段階で冷媒は液相状態となっている。そして、第１蒸発器３ａ、第２蒸発器３ｂで順次加熱され、過熱状態とされる。図３からも判明するように、第１蒸発器３ａにあっては、温調対象流体Ａ１との熱交換によりこれを冷却し、第２蒸発器３ｂにあっては、第２ヒータ４ｂにより加熱された過熱用流体Ａ２を冷却する。そして、以下にも説明するように、第１蒸発器３ａにあっては、冷媒ｃは、その熱交換部全体で一定温度に保たれたまま蒸発する。すなわち、第１蒸発器３ａの出口において、なお冷媒ｃは気液混相状態に保たれる。第２蒸発器３ｂにあっては、一部液相のまま移流してきた冷媒ｃが、当該第２蒸発器３ｂで過熱される。そして、圧縮機９に戻る。

この冷凍サイクルに対して設けられている制御構造に関して説明すると、メイン制御装置１２ｍ、第１制御装置１２ａ、第２制御装置１２ｂが備えられている。

メイン制御装置１２ｍ（本願におけるメイン制御手段となる）は、主に圧縮機９の動作状態および凝縮器１０へ送られる冷却水量を制御するものであり、電子膨張弁１１の開度と関連して冷凍サイクルの動作状態を決定する。具体的には、圧縮機９に対する動作制御は、第１蒸発器３ａの出口の温調対象流体Ａ１の温度ａｔ０を入力として、この温度ａｔ０が所定の設定値内に収まるように、圧縮機９の回転数をフィードバック形態でＰＩＤ制御する。この時、凝縮器１０に送られる冷却水温度は所定の温度範囲に管理されており、凝縮が適切に起こる冷却水量が凝縮器１０で確保される。

第１制御装置１２ａは、本願において主に冷媒ｃの蒸発を受け持つ第１蒸発器３ａを設けたことにより必要となった制御装置であり、第１蒸発器入口と出口との冷媒温度ｃｔ１，ｃｔ２を監視し、両者間の温度差が所定の温度差以内に収まるように、電子膨張弁１１の開度をＰＩＤ制御する。具体的には、この温度差は、実質０℃である０．５℃程度であり、第１蒸発器３ａにおいて、実質的に冷媒の蒸発が定圧下に発生していると見なせる程度である。この第１蒸発器３ａに送り込まれる温調対象流体の風速を均一に保ち、当該制御方式を採用することで、第１蒸発器３ａの全部位で、冷媒は一定温度に保たれ、第１蒸発器３ａの各部位において別個に熱交換する温調対象流体Ａ１に少なくとも流路の断面各部間で温度差が発生することはない。

第２制御装置１２ｂは、本願において主に冷媒ｃの過熱を受け持つ第２蒸発器３ｂを設けたことにより必要となった制御装置であり、第２蒸発器入口と出口との冷媒温度ｃｔ３，ｃｔ４を監視し、両者間の温度差が所定の温度差生じるように、第２ヒータ４ｂの出力をＰＩＤ制御する。具体的には、入口の冷媒ｃに対して、出口の冷媒ｃが５〜１０℃程度過熱されていることを目標とする。従って、第２蒸発器３ｂから圧縮機９に移流する冷媒ｃは全て気相状態となっており、圧縮機９の安定な運転を確保できる。ここで、第２ファン６ｂは、過熱用流体Ａ２による第２ヒータ４ｂから冷媒ｃへの熱移動が可能な程度の流量を確保すべく運転される。

温調対象流体の加熱温調
先に示したように、第１蒸発器３ａにより冷却された温調対象流体Ａ１は、第１ヒータ４ａ（一次加熱手段）、第３ヒータ４ｃ（二次加熱手段）で加熱温調される。この目的に対応して、本願に係る温度調整装置１００には第３制御装置１２ｃ（本願における第１加熱制御手段となる）、第４制御装置１２ｄ（本願における第２加熱制御手段となる）が備えられている。
図示するように、第１ヒータ４ａの加熱対象は、第１蒸発器３ａにより冷却された温調対象流体Ａ１であり、第３ヒータ４ｃの加熱対象は、第１ファン６ａに吸引され、このファン６ａから排出される全温調対象流体Ａ１である。

以下、第３制御装置１２ｃ、第４制御装置１２ｄそれぞれに関して説明する。
第３制御装置１２ｃは、従来から設けられていた制御装置であり、第１ファン６ａの出口の温調対象流体Ａ１の温度ａｔ１を監視し、その温度ａｔ１が所定の設定温度となるように、第１ヒータ４ａの出力（加熱量）を、フィードバック形態でＰＩＤ制御する。具体的には、温調対象流体Ａ１の目標温度（温調室に戻される状態での温度）に対して、この目標温度より１℃程度低く、変動幅は±０．０５℃程度となるように、設定温度及びその変動幅が管理される。従って、第３ヒータ４ｃによる加温微調整分のマージンを見込んで、適切な範囲まで温度調整が完了できる。

第４制御装置１２ｄは、従来から採用されてきた第３ヒータ４ｃでの温調後の温調対象流体Ａ１の温度ａｔ２が先に説明した目標温度となるように、第３ヒータ４ｃの出力（加熱量）を調整するフィードバック形態のＰＩＤ制御を実行可能に構成されるとともに、第１蒸発器３aに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３を監視することにより、当該温度ａｔ３の変動をできるだけ吸収し、第３ヒータ４ｃでの温調後の温調対象流体Ａ１の温度ａｔ２が先に説明した目標温度となるように、第３ヒータ４ｃの出力（加熱量）を調整するフィードフォワード形態のＤ制御（この制御を実行する制御要素を予測制御要素と呼ぶ）をも実行可能に構成されている。後者の制御に関してさらに説明すると、第１蒸発器３ａに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３を監視入力として取り込む場合に、この取り込みのサイクルタイム（すなわち微分時間）が調整設定可能に構成されているとともに、温度監視点（第１蒸発器３ａに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３の検出位置）と制御点（第３ヒータ４ｃの位置）との関係に起因するムダ時間が調整設定可能に構成されている。当然、Ｄ制御を行う上でのゲイン（微分動作の重み付け）も調整設定可能とされている。これらサイクルタイム、ムダ時間、ゲインは、温度調整装置１００を現場に設置した状態で、温調運転を実際に行って最適値を求め、その最適値で運転することとしている。具体的には、温調対象流体Ａ１の目標温度（温調室１０１に戻される状態での温度）を設定温度とし、その変動幅が±０．０２℃程度となるように、設定温度及びその変動幅が管理される。従って、従来技術で到達していた以上の超精密温調が可能となっている。
図４に、上記の予測制御を施す前と後との第３ヒータ４ｃの出口における温調対象流体の温度を示した。同図において横軸が時間で、縦軸が温度を示している。同図の左側に第１蒸発器３ａに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３を監視することなく、第３ヒータ４ｃの出口の温度のみに基づいてフィードバック制御のみを行った場合の結果を示し、同図の右側に第３ヒータ４ｃの出口の温度と、第１蒸発器３ａの入口の温度にも基づいてフィードバック制御及びフィードフォワード制御を行った場合の結果を示した。同図において、細実線が第３ヒータ４ｃ出口の温度を示し、太実線が蒸発器３ａ入口の温度を示している。

第１蒸発器３ａ入口における温度の標準偏差σが両者とも０．００９である場合に、予測制御を行わない場合は、第３ヒータ４ｃの出口で標準偏差σが０．００７に低下した。これに対して、予測制御を行う場合は、第３ヒータ４ｃの出口で標準偏差σを０．００５まで低下することができた。この数値は、変動がほぼ限界に近いレベルまで抑えられている状態での有意な差であり、非常に好ましい結果である。

以上説明してきたように、本願に係る温度調整装置１００では、冷凍サイクルを構成する蒸発器３を、主に冷媒蒸発用の第１蒸発器３ａと、主に冷媒過熱用の第２蒸発器３ｂとして別個に設け、温調対象流体Ａ１の冷却を第１蒸発器３ａのみにかからしめる構成を採用したため、第１蒸発器３ａにより冷却される温調対象流体Ａ１に発生することがある温度ムラを極力抑え、良好な精密温調ができるようになった。さらに、第３ヒータ４ｃでの加熱において、第１蒸発器３ａの入口側の温調対象流体の温度ａｔ３をも使用して、外乱を吸収するように構成したため、この点からも良好な精密温調ができるようになった。
以上、空間的な温度ムラ及び時間領域に温度変動が非常に少ない温調対象流体Ａ１を得ることができた。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態にあっては、温度調整装置がヒータユニットを備え、第１ヒータによる加熱温調に加え、第３ヒータによる加熱温調をも可能とする例に関して説明したが、第１ヒータにより、所望の温調目的を達成できる場合は、第３ヒータ（ヒータユニット）を必ずしも必要とするものではない。すなわち、冷凍サイクルに備えられる蒸発器により温調対象流体を一旦冷却した後、冷却後の温調対象流体を加熱できる加熱手段を有していれば温調の目的を達成できる。
（２）上記の実施の形態にあっては、圧縮機の動作に関して、メイン制御装置により第１蒸発器出口における温調対象流体の温度を監視し、圧縮機の回転数を変えることで適切な動作状態を確保したが、圧縮機を所定の適切な回転数で動作する場合も本願構造は採用可能である。
（３）上記の実施の形態にあっては、温調対象流体、過熱用流体の加熱に、電力の供給を受けて熱を発生する電熱ヒータを使用する例を示したが、冷凍サイクルにあっては、圧縮機の圧縮で冷媒が加熱されており、凝縮器において、冷却水により冷媒の凝縮熱が回収できるため、それら熱を加熱に利用することもできる。例えば、先に説明した例における、第１ヒータの代わりに圧縮機から吐出される冷媒との熱交換を行う熱交換器、或いは、凝縮器において加温された冷却水が送られる熱交換器を、当該第１ヒータの配設部位に設け、圧縮機の圧縮で冷媒に与えられる熱、凝縮器で回収される凝縮熱を、温調対象流体の加熱に利用してもよい。更に、第２ヒータの代わりに、圧縮機から吐出される冷媒との熱交換を行う熱交換器、或いは、凝縮器において加温された冷却水が送られる熱交換器を、当該第２ヒータの配設部位に設け、過熱対象流体の過熱に利用してもよい。
（４）上記の実施の形態にあっては、第２ヒータを設け、当該第２ヒータにより発生される熱を過熱用流体の加熱に使用したが、この過熱用流体としては、冷媒を過熱できるだけの熱を保有していればよく、工場等に備えられている発電用のエンジン等から発生する排ガスを熱源として利用してもよい。この構成の場合、第２加熱手段を備える必要はなく、排ガスが、第２蒸発器の熱交換部位に適切に導かれればよい。
（５）上記の実施形態では、二次加熱手段としての第３ヒータに対して、その出力（加熱量）を調整するフィードバック形態のＰＩＤ制御と、フィードフォワード形態のＤ制御（予測制御）を実行する例を示した。
しかしながら、第１蒸発器３ａに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３を監視入力として利用する予測制御を、一次加熱手段としての第１ヒータに対して実行するようにしてもよいし、一次加熱手段、二次加熱手段の両方に対して実行するものとしてもよい。
（６）さらにこの予測制御おいて調整可能なパラメータとして、先の例では、第１蒸発器３ａに流入する温調対象流体Ａ１の温度ａｔ３の取り込みのサイクルタイム（すなわち微分時間）、ムダ時間、ゲイン（微分動作の重み付け）を挙げたが、これらパラメータを、第１加熱制御手段、第２加熱制御手段の間で、独立に異ならせて調整設定可能とすることもできる。この場合、一次加熱手段で取りきれない変動分を、二次加熱手段で適切に取りきれるように構成できる。
（７）上記の実施形態では、温調室の流体は、温度調整装置に吸引されるとともに、温度調整後温調室に戻されるようにして、温調室と温度調整装置との間で循環させるようにしているが、例えば、温調室とは別の外気を温度調整装置にて吸引して、その外気を温度調整後温調室に送るようにしてもよい。

複数段の加熱を行って精密空調を実行する温度調整装置において、外乱が発生した場合にも、この外乱を適切に吸収して、温度の変動幅を従来より格段に狭くできる温度調整装置を得ることができた。

温度調整装置の概略構成を示す正面視図温度調整装置の概略構成を示す側断面図温度調整装置の動作制御系の説明図蒸発器入口温度に基づいた予測制御を行わない場合と、行う場合の第３ヒータ（二次加熱手段）出口温度の状態を示す図

符号の説明

３ａ：第１蒸発器
３ｂ：第２蒸発器
４ａ：第１ヒータ（一次加熱手段、第１加熱手段）
４ｂ：第２ヒータ（第２加熱手段）
４ｃ：第３ヒータ（二次加熱手段）
９：圧縮機
１０：凝縮器
１１：膨張弁
１２ｍ：メイン制御装置（メイン加熱制御手段）
１２ａ：第１制御装置
１２ｂ：第２制御装置
１２ｃ：第３制御装置（第１加熱制御手段）
１２ｄ：第４制御装置（第２加熱制御手段）
Ａ１：温調対象流体
ｃ：冷媒

Claims

冷媒が、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を記載順に循環する冷凍サイクルを備え、温調対象流体が前記蒸発器内を流れる冷媒により冷却される構成で、
前記蒸発器で冷却された前記温調対象流体を加熱する加熱手段を備え、
前記蒸発器と前記加熱手段との間の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を降温設定範囲内とする形態で前記冷凍サイクルを運転制御するメイン制御手段と、
前記加熱手段の出口側の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を昇温設定範囲内とする形態で前記加熱手段を制御する加熱制御手段とを備え、
前記加熱制御手段に、前記蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、前記加熱手段を制御して前記温調対象流体の温度を前記昇温設定範囲とする予測制御要素を含む温度調整装置。
前記加熱手段として、前記蒸発器で冷却された前記温調対象流体を加熱する一次加熱手段と、前記一次加熱手段で加熱された前記温調対象流体をさらに加熱する二次加熱手段とを備え、
前記加熱制御手段として、前記一次加熱手段と前記二次加熱手段との間の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を第１昇温設定範囲内とする形態で前記一次加熱手段を制御する第１加熱制御手段と、前記二次加熱手段の出口側の前記温調対象流体の温度の検出結果に基づいて、当該位置の温度を第２昇温設定範囲内とする形態で前記二次加熱手段を制御する第２加熱制御手段とを備え、
前記第１加熱制御手段もしくは前記第２加熱制御手段、あるいはそれらの両方に、前記蒸発器に流入する温調対象流体の温度の時間領域における温度変化に基づいて、制御対象の加熱手段を制御して前記温調対象流体の温度を前記昇温設定範囲とする予測制御要素が含まれている請求項１記載の温度調整装置。
予測制御に、前記温度変化の検出位置と前記加熱手段の位置との関係に起因するムダ時間要素が含まれている請求項１又は２記載の温度調整装置。
前記二次加熱手段により加熱された温調対象流体を温調室に送るとともに、前記温調室から温調対象流体を少なくとも前記蒸発器を介して吸引するファンが設けられ、
前記二次加熱手段に対して予測制御を実行する請求項２記載の温度調整装置。