JP2009517627A - 機械温度をより正確に調節するための熱流の局部的制御 - Google Patents

Abstract

温度調節方法およびシステム（100）は、局部温度制御器の制御範囲内で、局部設定点温度が得られるような温度値の流体を有するリザーバ（112）を有する。配管システム（101）は、前記リザーバから、温度制御が必要な1または2以上の素子に、前記流体を供給する。流体経路の一つにおいて、熱発生器／除去装置（110）が温度制御が必要な素子の位置またはその近傍に設置される。各熱発生器／除去装置に対して、局部温度制御器（116）およびフィードバックセンサ（114）が、該熱発生器／除去装置を制御するように配置され、温度制御が必要な前記素子の位置またはその近傍での、前記流体と交換された熱量によって、前記制御フィードバックセンサにより監視された局部的な温度が、前記局部設定点温度に、局部的に正確に維持される。

Description

本発明は、温度制御システムに関し、より具体的には、システムの異なる領域における温度を独立に、正確に調節することが可能な、局部的な温度制御を提供するシステムおよび方法に関する。

多くのシステムにおいて、熱発生源からの熱を除去するため、冷却水が必要となる。熱発生源には、モータ、アクチュエータ、モールド、処理装置または他のエネルギー源が含まれる。熱の調節は、機械部品、製品の状態を調整し、および／または処理プロセス温度を調整し、装置の適当な作動を可能にし、処理の予測可能な挙動を確保するため、必要となる。そのようなシステムでは、温度制御リザーバから、通常冷却流体が供給される。しかしながら、リザーバ内の冷却水の体積が適合するまである時間が必要となるため、迅速な温度制御は、ほとんど不可能である。また、温度は、単一の温度設定点に限られる。

図1を参照すると、この図には、機械冷却機器10が示されている。通常冷却水は、温度制御された水リザーバ12から、パイプネットワーク14に供給される。配管14は、複数の経路（熱交換器15）を有しても良く、これによりシステムの異なる場所で、複数の熱源から熱が除去され、および／またはカーテン絶対温度レベルが必要となる部品が調整される。通常リザーバ12内の水の温度設定点は、温度センサを用いて、一定値に設定され、または極めてゆっくりとしたフィードバックループで制御され、ドリフト効果が補償される。正確で安定な機械温度が必要となる高精細機械または設備16では、この冷却方法は、いくつかの重要な問題を抱えている。すなわち、リザーバの容量のため、迅速に温度に応答し、または温度を予測することが難しくなり、あるいは機械内で熱負荷が変化し、この結果、温度に変動が生じる。また、単一のリザーバ12の冷却水は、しばしば、機械内の複数の熱交換器に並行して供給され、この結果、局部的熱交換器および局部的熱源への冷媒流量に応じて、平均機械温度が局部的に異なってしまう。例えば、リザーバ12は、3つの配管経路20、21、22に供給を行うマニホルド18に接続される。各経路は、機械の異なる部分、すなわち結果的に異なる熱負荷に接続されるが、全ての経路は、冷却ユニットリザーバ12に戻る。

機械内に大きな熱源と小さな熱源がある場合、機械温度をほぼ均一にするためには、大きな熱源に多量の冷媒流が必要となる。冷媒流が多くなると、より大きなポンプ力が必要となり、振動が生じてしまう。これらの振動は、高精細機械における機械的振動の主要原因の一つとなる。

示された実施例では、局部的に制御された熱発生器およびヒートシンクを用いることにより、流体により除去されまたは付加される熱量によって、より適正かつ高速に制御された局部機械温度が得られる。

温度調節システムは、温度制御が必要な素子の位置またはその近傍に、配管システムに結合された熱発生器／除去装置を有する。配管システムは、局部的な温度制御の制御範囲内で、温度制御が必要な1または2以上の素子が局部設定点温度に到達するような値の温度の流体を供給するように構成される。フィードバックセンサを有する制御器は、熱発生器／除去装置を制御して、制御フィードバックセンサにより監視される局部的な温度が、温度制御が必要な素子の位置またはその近傍での流体との熱交換量により、制御設定点温度に正確に維持されるように構成される。

温度調節方法およびシステムは、リザーバを有し、このリザーバは、局部温度制御器の制御範囲内で、局部設定点温度が得られるような値の温度の流体を有する。配管システムは、リザーバから、温度制御が必要な1または2以上の素子に、並列に流体を供給する。流体経路の一つにおいて、熱発生器／除去装置は、温度制御が必要な素子の位置またはその近傍に配置される。各熱発生器／除去装置に対して、局部温度制御器およびフィードバックセンサは、熱発生器／除去装置を制御するように配置され、温度制御が必要な素子の位置または近傍での流体と交換される熱量により、制御フィードバックセンサにより監視された局部温度が、局部的かつ正確に局部設定点温度に維持される。

本願のこれらのおよび他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面を参照して、以降の一例としての実施例の詳細な説明を読むことにより明らかとなろう。

この開示は、添付図面を参照した、以下の好適実施例の記載に詳細に示されている。

本願の開示により、一例として、システム、機器および方法が提供され、これらを用いることにより、単一のリザーバを用いて、システムの迅速かつ正確な温度制御が促進される。各関心点の温度は、局部的に制御することができるため、本発明は、複数のリザーバを使用することも可能であるが、ここに示されている一例としての実施例では、単一のリザーバについて説明する。

各図に示された素子は、各種ハードウェアの形態で実施されても良いことを理解する必要がある。各実施例は、冷却流体および局部ヒータの形態で示されているが、高温流体と冷却装置を用いた、逆の構成も可能である。冷却装置は、例えば、高温主要ストリームへの低温流体ストリームの混合工程、または局部的な冷媒式の熱交換器の使用工程を含んでも良い。また、加熱および冷却は、条件に応じて、単一の位置で局部的に実施されても良い。

加熱および冷却素子は、多くの方法で具体化される。例えば、管を介して、流体を流通させ加熱させる加熱コイル、電気抵抗コイル、放射線、または他のいかなる加熱方法が含まれる。ある一目的では、本願で示される加熱素子は、抵抗加熱コイルを有する；しかしながら、前述のように、本発明は、この種の加熱素子に限定されるものではない。各図に記載の素子は、各種組み合わせで実施されても良く、単一の素子または複数の素子を組み合わせた機能が提供される。例えば、単一の機械は、単一の温度制御装置を有し、または1もしくは2以上の制御された温度リザーバを用いた複数の温度制御装置を有する。

以下、図面を参照して説明する。図面において、同様の符号は、同一のまたは同様の素子を表す。まず図2には、一例として、温度を局部的に監視し、制御するシステム100が示されている。システム100は、機械102の3つの位置104、106および108を有する一配置として示されており、これらの位置の温度は、配管システム101を用いて局部的に制御される。本発明の実施例が適用され得る、他の配置および機械は、高分子モールド、ベアリング、電気機械式素子を有する装置、モータ、アクチュエータ、電流による抵抗加熱器、レーザ／ダイオードもしくは半導体素子、形状測定機械、IC製造設備、または1もしくは2以上の位置において、温度制御が必要となる他のいかなるアプリケーションを有しても良い。

局部熱素子（thermal elements）110を用いて、例えば水のような循環式リザーバ流体211（図2）により、付加／除去される熱量が局部的に制御される。流体211は、単一相の液体を含むことが好ましいが、単一相のガスを使用しても良い。機械装置または関心領域の局部温度は、局部熱素子110を用いて、適正かつ迅速に制御することができる点で有意である。ある実施例では、ヒータを用いて、正の熱および負の熱（熱除去）の制御を行うことができ、入力流体温度は、所望の機械温度を下回る点に設定され、通常の条件下では、ヒータは、常時熱を発生する。例えば、特定の場合、高精細機械では、22.00±0.01℃の局部的温度調整が必要となり、冷却リザーバ112内の冷却流体（例えば水）の温度は、約21.5℃に設定される。より一般的には、入力流体温度は、局部温度制御の冷却範囲内で、局部設定点温度に到達し得る値、あるいは局部設定点温度が得られるような値に設定される。より低い温度の冷却水を使用することが可能であり、これにより、より少ない水流量で、多くの熱源を冷却することが可能となり、これにより、振動レベルを抑制することが可能となる。冷媒流は、負の熱源として使用され、機械102の位置104、106および108から熱を奪い、機械内の正の熱源、または局部熱素子110（例えばこの場合、ヒータ）により生じる熱が相殺される。

局部ヒータ110により制御された位置104、106および108での機械温度を用いた場合、リザーバ112内の流体には、必ずしも高温は必要ではない。水または熱源近傍の機械温度を局部的に制御することにより、熱源の変化に迅速に応答し、予測することが可能となる。局部熱素子110は、位置104、106および108またはその近傍でフィードバックセンサ114により監視される温度信号に基づいて、制御器116により制御される。位置またはその近傍とは、実際の部分もしくは被監視位置の領域よりも上流の、周辺部を意味するが、その領域よりもさらに局部的な領域であっても良い。関心位置またはその近傍にフィードバックセンサ114を用いた場合、局部機械温度を、より正確に制御することができる。各局部熱素子110は、制御器116およびフィードバックセンサ114を用いて、局部領域の独立した温度制御を行うことができる。また、フィードフォワード（センサ）信号を適用して、既知の熱源または関連する温度変化を予測し、温度制御の精度を最適化しても良い。単一のリザーバを使用して、複数の関心点の温度を調節することは有意である。また、各関心点は、他の局部的制御領域から独立して、特定の温度もしくは温度プロファイルにプログラム化され、または設定されても良い。さらに、温度は、局部的に制御されるため、リザーバ流体温度とは独立である。

一例では、1または2以上の局部熱素子（ヒータ）110を用いて、冷却流体により除去される熱量を調節することにより、機械温度が局部的に制御される。所望の機械温度を下回る温度を有する冷却流体が、並列に（ただし、直列配置であっても良い）リザーバ112から、局部熱素子110が設置された異なる位置に供給される。各局部熱素子110は、冷却流体に、局部的に適正な熱量を付加し、機械温度が制御される。所望の局部温度、例えば22℃の高精細機械を用いた場合、局部フィードバックセンサ114は、局部温度を検知し（最初、21.5℃）、制御器116は、これに反応して（22℃の制御設定点に対するずれにより）、ヒータ110を操作または駆動し（例えばPI制御を用いて）、所望の設定点温度に到達し維持されるように、熱が供給される。ヒータ110を使用して、局部熱交換器118に向かう冷媒ストリームが、適当な温度レベルに加熱される。またヒータは、温度制御される機械部品と一体化しても良い。

図3を参照すると、この図には、熱交換器206への供給ライン204内の冷却流体202が、流体ストリーム内で電気ヒータ208により加熱される一実施例が示されている。一例として、加熱素子208の形態における作動原理が示されている；しかしながら、ヒータ208に加えて、またはこれに代えて、別の冷却素子を使用しても良い。ヒータ208の前段の温度センサ210からの信号は、フィードフォワード制御として使用することができ、リザーバ（例えば図2のリザーバ112）からの流入流体の温度変動が補償される。またフィードフォワード制御210は、既知の熱源の変動の予測に適用することも可能である（例えば、モータ電流の上昇、ベアリングシャフトの回転速度の上昇、モールド内の予測サイクル温度変化等）。ヒータ208の後段には、温度センサ212が提供され、これを用いて、局部熱交換器206に向かう流体202の温度レベルが制御される。また、このフィードバックセンサ212は、温度制御が必要な機械部品または装置に設置され得る。

制御器216を用いて、センサ210および212から信号が収集され、ヒータ（またはクーラ）208が操作され（例えばPIまたはPID制御アルゴリズムを用いて）、フィードバックセンサ212により、温度設定点または設定点プロファイルとできる限り接近するように、監視温度が維持される。ある実施例では、温度プロファイルプログラム218は、トリガーイベント、例えば高電流取り出し、モールドサイクルの点、ベアリングの速度変化等と同期されても良い。この方法では、制御器は、既知の熱負荷変化をより正確に予測することができ、結果的に、制御エラーが小さくなる。

図4を参照すると、この図には、冷却供給チャネル310の周囲に電気ヒータ308が螺旋状に設置された実施例が示されている。この方法では、ヒータ308は、冷却流体312の外側に維持される。チャネル310の内側には、螺旋状フィン314が設置され、流体312に対する熱輸送が助長される。

図5および6を参照すると、これらの図には、一例として、ヒータ408、409が、被温度制御機械部品406と一体化された実施例が示されている。図5には、流体熱交換器410とヒータ408が一体化された実施例が示されている。この実施例では、ヒータ線は、流体チャネル412の周囲に螺旋状に配置され、機械部品406内には、フィードバック温度センサ416が収容される。図6では、ヒータ409は、流体熱交換器411から分離されている。この場合、調整機械部品406上の温度センサ416により測定された温度を用いて、温度制御がフィードバックされる。またフィードフォワード制御418は、流入流体の温度に適用されても良く、あるいは、例えば局部的に温度に影響を及ぼし得る、アクチュエータ電流または他の測定パラメータに適用されても良い。

図7を参照すると、この図には、熱発生／除去装置の実施例が示されており、流体温度は、異なる温度T1およびT2の、2または3以上の流体ストリーム502、504を合わせることにより、調整される。流体温度は、バルブ506を用いて、2つの流体ストリーム502、504のうちの一方の流れを調整することにより制御される。バルブ506は、フィードバックセンサ510を用いて制御されても良く、このセンサは、混合流体フロー512の温度測定に使用される。混合流体フロー512は、温度を局部的に制御する、冷却機構または加熱機構として使用されても良い。この実施例の利点は、ほぼ瞬時に冷媒温度を調整することができることである。この方法は、各フロー502および504を提供する、2つの冷媒供給工程を有する。他の実施例では、より多くの数のフローが使用されても良い。

本願に示された実施例は、流体による温度制御／調整が必要な全ての機械、システムまたは製品に適用することができる。温度制御を行う実施例は、特に、高い熱的精度および安定性が必要となる、高精細機械および設備に有益である。

機械温度をより高精度に調節するための、熱流の局部的制御用のシステム、機器および方法の好適実施例について説明した（これらは一例であり、限定的なものであることを意図するものではない）が、当業者には、前述の示唆に基づいて、修正および変更を行うことができることに留意する必要がある。従って、変更は、添付の特許請求の範囲により定められる、本願に示された実施例の範囲および思想の範囲内である、開示された特定の実施例においてなされることが理解される。従って、特許法により要求される特定の詳細な説明について示したが、請求の範囲および特許証により保護される所望の範囲は、添付の特許請求の範囲に記載される。

添付の特許請求の範囲の解釈にあたり、以下のことに留意する必要がある：
a）「有する」という用語は、所与の請求項に記載されたそれら以外の他の素子または動作の存在を排斥するものではないこと；
b）素子の前の「一つの」という用語は、そのような素子が複数あることを排斥するものではないこと；
c）請求項内の参照符号は、その範囲を限定するものではないこと；
d）いくつかの「手段」は、同一の物品、または構造もしくは機能を実施するハードウェアやソフトウェアによって表されても良いこと；
e）示されたいかなる素子も、ハードウェア部分（例えば別個のおよび統合された電気回路を含む）、ソフトウェア部分（例えばコンピュータプログラミング）、およびこれらの組み合わせで構成されても良いこと；
f）ハードウェア部分は、アナログおよびデジタル部分の一方または両方で構成されても良いこと；
g）特段の記載がない限り、いかなる示された装置または部分も、相互に組み合わせたり、別の部分に分離することができること；および
h）特段の記載がない限り、特定の動作に順番が必要であることを意図されるものではないこと。

従来の機械冷却機器を示した概略図である。 一実施例による局部熱流制御を提供する機械を介して分配された、局部温度制御装置を有する機械冷却機器を示した概略図である。 流入流体温度と排出流体温度を監視し制御する、フィードフォワードおよびフィードバックセンサを有する、一例としての熱流制御装置を示す断面図である。 フロー領域の外側に設置された局部ヒータを有する、一例としての熱流制御装置を示す断面図である。 機械の被温度制御部分に取り付けられたフィードバックセンサを有する、一例としての熱流制御装置を示す断面図である。 フィードバックセンサと、機械の被温度制御部分に取り付けられたヒータとを有する、一例としての熱流制御装置を示す断面図である。 所望の出力温度の流れを得るため、異なる温度の流れが混合された、一例としての熱流制御装置であって、少なくとも一つの流れは、バルブにより開閉され、排出流体温度が制御される熱流制御装置を示す断面図である。

Claims (26)

1. 温度調節システムであって、
   局部温度制御器の制御範囲内で、局部設定点温度が得られるような温度値の流体を有するリザーバと、
   前記リザーバから、温度制御が必要な1または2以上の素子に、前記流体を供給する配管システムと、
   流体経路の一つにおいて、温度制御が必要な素子の位置またはその近傍に設置された、少なくとも一つの熱発生器／除去装置と、
   各熱発生器／除去装置に対して、該熱発生器／除去装置を制御するように配置された、局部温度制御器およびフィードバックセンサと、
   を有し、
   温度制御が必要な前記素子の位置またはその近傍での、前記流体と交換された熱量によって、前記制御フィードバックセンサにより監視された局部的な温度が、前記局部設定点温度に、局部的に正確に維持されることを特徴とする温度調節システム。
2. さらに、前記局部温度制御器により使用される、フィードフォワード信号を有し、熱負荷または関連する温度変化が予測されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
3. さらに、前記局部温度制御器により使用される流入流体の温度を監視するように配置されたフィードフォワードセンサを有し、流入流体の温度変動が予測されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
4. 前記配管システムは、前記リザーバから、温度制御の必要な前記1または2以上の素子に、並列に前記流体を供給することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
5. 前記フィードバックセンサは、温度の監視が必要な機械素子内に配置されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
6. 前記フィードバックセンサは、前記配管システム内の、温度の監視が必要な機械素子の位置またはその近傍に配置されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
7. 前記フィードバックセンサは、排出流体の温度を監視し、前記排出流体の温度は、前記熱発生器／除去装置を用いて制御されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
8. さらに、前記局部温度制御器は、トリガーイベントに応じて、前記熱発生器／除去装置を作動させるように配置されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
9. 前記トリガーイベントは、温度の監視が必要な機械素子の動作の変化を含むことを特徴とする請求項8に記載のシステム。
10. 前記熱発生器／除去装置は、異なる温度の複数の流れからの混合流体を有し、
    少なくとも一つの流れは、所望の温度が得られるように調節されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
11. 温度調節システムであって、
    第1の値の制御された温度の流体を有するリザーバと、
    前記リザーバから、温度制御が必要な1または2以上の素子に、前記流体を供給するように配置された配管システムと、
    温度制御が必要な素子の位置またはその近傍に配置された熱発生装置であって、熱を適用して、前記温度制御が必要な素子を制御するように配置された熱発生装置と、
    フィードバックセンサに応じて、前記熱発生装置を作動するように配置された局部制御器であって、前記熱発生装置は、温度が前記第1の値を超えて上昇するように熱を適用し、温度制御が必要な前記素子の位置で、設定点温度が局部的に正確に維持される、局部制御器と、
    を有する温度調節システム。
12. さらに、前記局部制御器により使用されるフィードフォワード信号を有し、
    既知の熱負荷または関連する温度変化が予測されることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
13. さらに、前記局部制御器により使用される流入流体の温度を監視するように配置されたフィードフォワードセンサを有し、流入流体の温度変動が予測されることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
14. 前記配管システムは、前記リザーバから、温度制御が必要な前記1または2以上の素子に、並列に前記流体を供給することを特徴とする請求項11に記載のシステム。
15. 前記フィードバックセンサは、温度の監視が必要な機械素子内に配置されることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
16. 前記フィードバックセンサは、前記配管システム内の、温度の監視が必要な機械的素子の位置またはその近傍に配置されることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
17. 前記フィードバックセンサは、排出流体の温度を監視し、
    前記排出流体の温度は、前記熱発生装置により制御されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
18. さらに、前記局部制御器は、トリガーイベントに応じて、前記熱発生装置を作動させるように配置されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
19. 前記トリガーイベントは、温度の監視が必要な機械素子の動作の変化を含むことを特徴とする請求項18に記載のシステム。
20. 前記熱発生装置は、異なる温度の複数の流れからの混合流体を有し、
    少なくとも一つの流れは、所望の温度が得られるように調節されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
21. 機械素子の温度を局部的に調節する方法であって、
    機器を通る複数の流れ経路に共通するリザーバを提供するステップであって、前記リザーバは、第1の値の制御された温度の流体を有するステップと、
    前記リザーバから、温度制御の必要な素子に前記流体を供給するステップと、
    温度制御の必要な前記素子の位置またはその近傍で、熱を発生または除去することにより、温度制御の必要な前記素子の位置またはその近傍で、熱変化を発生させるステップであって、局部温度を検出するステップと、設定点温度に応じて、熱発生／除去装置を制御するステップとにより、前記熱発生／除去装置が前記素子の温度を局部的に制御し、各素子は、他の素子とは独立に、前記第1の値に対して前記温度に正確に維持される、ステップと、
    を有する方法。
22. 前記検出するステップは、フィードフォワード検出ステップを有し、流入流体の温度が監視され、熱負荷の変化が予測されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
23. 前記検出するステップは、排出流体の温度を監視するステップを有し、前記排出流体の温度は、前記熱発生／除去装置を用いて制御されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
24. さらに、トリガーイベントに応じて、前記熱発生／除去装置を作動するように配置された制御器を有し、
    前記方法は、フィードフォワード検出ステップとフィードバック検出ステップとを有し、それぞれにより、流入および排出流体の温度が監視され、
    前記熱発生／除去装置を用いて、前記流体の温度が調整されることを特徴とする請求項21に記載のシステム。
25. 前記トリガーイベントは、温度の監視が必要な機械素子の動作の変化を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
26. 前記発生させるステップは、複数の流れから、異なる温度の流体を混合するステップを含み、少なくとも一つの流れは、所望の温度が得られるように調節されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
    

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