JP2015218994A

JP2015218994A - 加熱冷却装置

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Publication number: JP2015218994A
Application number: JP2014104880A
Authority: JP
Inventors: 泰平飛田; Taihei Tobita
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-12-07
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP6322478B2

Abstract

【課題】蒸気で加熱する加熱モードと、水で冷却する冷却モードと、加熱も冷却もしない保持モードとを実行可能な加熱冷却装置において、高精度な温度制御を行うこと。【解決手段】加熱冷却装置１は、対象物を蒸気で加熱する加熱モードと、対象物を水で冷却する冷却モードと、対象物を加熱も冷却もしない保持モードとが実行可能に構成された流体回路１０と、対象物の温度が設定値となるように、３つのモードを切り換える制御部５０とを備える。制御部５０は、対象物の一定時間当たりの温度変化量を含む判定式に基づいて、加熱モード、冷却モードおよび保持モードの何れかを選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気で加熱し水で冷却する加熱冷却装置に関し、特に温度制御に係るものである。

例えば特許文献１に開示されているように、熱媒体としての流体が供給されて対象物を加熱および冷却する加熱冷却装置が知られている。この加熱冷却装置は、熱交換部（反応釜）に蒸気を供給して対象物を加熱する加熱モードと、熱交換部に水（冷却水）を供給して対象物を冷却する冷却モードとを有している。

特開２０１０−２５３９０号公報

上述したような加熱冷却装置では、一般に、対象物が設定値となるように、加熱モードと、冷却モードと、加熱も冷却もしない保持モードとが切り換えられる。具体的には、対象物の温度が設定値よりも低い加熱側の閾値以下になると加熱モードに切り換えられ、対象物の温度が設定値よりも高い冷却側の閾値以上になると冷却モードに切り換えられる。また、対象物の温度が加熱側の閾値と冷却側の閾値の間になると、保持モードに切り換えられる。ところが、こういった温度制御では、応答性が悪く制御遅れが生じてしまい、そのため、ハンチング現象が起きやすいという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、その目的は、蒸気で加熱する加熱モードと、水で冷却する冷却モードと、加熱も冷却もしない保持モードとを実行可能な加熱冷却装置において、高精度な温度制御を行うことにある。

本発明は、対象物を蒸気で加熱する加熱モードと、上記対象物を水で冷却する冷却モードと、上記対象物を加熱も冷却もしない保持モードとが実行可能に構成された流体回路と、上記対象物の温度が設定値となるように、上記３つのモードを切り換える制御部とを備えた加熱冷却装置を対象としている。そして、上記制御部は、上記対象物の一定時間当たりの温度変化量を含む判定式に基づいて、上記加熱モード、冷却モードおよび保持モードの何れかを選択するものである。

以上のように、本発明によれば、対象物の一定時間当たりの温度変化量を含む判定式に基づいて、加熱モードと冷却モードと保持モードとを選択するようにしたため、応答遅れのない高精度な温度制御を行うことが可能である。

図１は、実施形態に係る加熱冷却装置の概略構成を示す配管系統図である。図２は、制御部の動作を示すフローチャートである。図３は、実測温度の時間的推移を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施形態の加熱冷却装置１は、熱交換室（熱交換部）を構成する反応釜２１に加熱源である蒸気と冷却源である水を供給し、反応釜２１に収容された対象物（図示省略）を加熱および冷却するものである。加熱冷却装置１は、反応釜２１に蒸気および水を供給する流体回路１０と、該流体回路１０の運転制御を行う制御部５０とを備えている。

流体回路１０は、蒸気供給菅１１と、水供給管１２と、ドレン排出管１３と、蒸気排出管１４と、２つの循環配管１５，１６と、ドレンタンク２３とを備えている。

反応釜２１は、ほぼ全周に亘って形成されたジャケット部２２を有している。蒸気供給菅１１は、ジャケット部２２に接続され、図示しない蒸気生成部から所定温度の蒸気がジャケット部２２に供給される。反応釜２１では、ジャケット部２２に供給された蒸気が反応釜２１の内部の対象物と間接的に熱交換して凝縮（液化）し、対象物が加熱される。つまり、反応釜２１の対象物は蒸気の凝縮潜熱が与えられることで加熱される。水供給管１２は、一端（流出端）がジャケット部２２に接続され、他端（流入端）が第２循環配管１６に接続されている。なお、図示しないが、水供給管１２の一端にはジャケット部２２に水を噴霧するためのスプレーノズルが設けられている。反応釜２１では、ジャケット部２２に供給された水が反応釜２１の内部の対象物と間接的に熱交換して蒸発（気化）し、対象物が冷却される。つまり、反応釜２１の対象物は水に熱（水の蒸発潜熱）を奪われることで冷却（気化冷却）される。

ドレン排出管１３は、一端（流入端）がジャケット部２２の下端部に接続され、他端（流出端）が第１循環配管１５に接続されている。ドレン排出管１３は、ジャケット部２２で蒸気が凝縮して発生したドレン（復水）が排出される。蒸気排出管１４は、一端（流入端）がジャケット部２２に接続され、他端（流出端）が第２循環配管１６に接続されている。蒸気排出管１４は、ジャケット部２２で水が気化して発生した蒸気が排出される。

ドレンタンク２３は、ジャケット部２２で発生したドレンが貯留されるものである。２つの循環配管１５，１６は、何れもドレンタンク２３に接続されている。つまり、第１循環配管１５および第２循環配管１６は、それぞれ、一端（流入端）がドレンタンク２３の下部に接続され、他端（流出端）がドレンタンク２３の上部に接続されている。ドレンタンク２３は、また、第１循環配管１５および第２循環配管１６のそれぞれには、上流側（流入端側）から順にポンプ２４，２５およびエゼクタ２６，２７が設けられている。第１循環配管１５では、ドレン排出管１３が第１エゼクタ２６に接続されている。第２循環配管１６では、水供給管１２が第２ポンプ２５と第２エゼクタ２７との間に接続され、蒸気排出管１４が第２エゼクタ２７に接続されている。

第１循環配管１５は、第１ポンプ２４によってドレンタンク２３の水が第１エゼクタ２６に供給されることにより、ドレン排出管１３を通じてジャケット部２２のドレンが第１エゼクタ２６に吸引されるように構成されている。第２循環配管１６は、第２ポンプ２５によってドレンタンク２３の水が第２エゼクタ２７に供給されることにより、蒸気排出管１４を通じてジャケット部２２の蒸気が第２エゼクタ２７に吸引されるように構成されている。

蒸気供給菅１１、水供給管１２および蒸気排出管１４には、それぞれ開閉弁である蒸気供給弁３１、水供給弁３２および蒸気排出弁３４が設けられている。ドレン排出管１３には、流入したドレンのみを自動的に第１循環配管１５側へ排出するスチームトラップ３３が設けられている。また、反応釜２１には対象物の温度を検出する温度センサ４１が設けられている。

本実施形態の加熱冷却装置１は、運転モードとして、蒸気を反応釜２１に供給する加熱モードと、水を反応釜２１に供給する冷却モードと、蒸気および水の何れも反応釜２１に供給しない保持モードの３つを有している。制御部５０は、加熱モード、冷却モードおよび保持モードの３つの運転モードを切り換えて、反応釜２１の対象物の温度を制御するように構成されている。制御部５０の構成および制御動作の詳細については後述する。

〈各運転モードの動作〉
加熱モード、冷却モードおよび保持モードの運転動作について図１を参照しながら説明する。

加熱モードは、蒸気が反応釜２１のジャケット部２２に供給されて対象物が加熱されるモードである。加熱モードでは、第１ポンプ２４が駆動されると共に、蒸気供給弁３１が開状態に設定され、水供給弁３２および蒸気排出弁３４が閉状態に設定される。なお、第２ポンプ２５は停止されている。この状態では、所定温度の蒸気が蒸気供給菅１１からジャケット部２２に供給され、その蒸気が対象物と熱交換して凝縮し、対象物が加熱される。一方、第１循環配管１５では、第１ポンプ２４によってドレンタンク２３の水が第１エゼクタ２６に供給され、再びドレンタンク２３に戻る。その際、ジャケット部２２で蒸気の凝縮によって発生したドレンが、ドレン排出管１３を介して第１エゼクタ２６に吸引され、ドレンタンク２３に流入する。こうして、ジャケット部２２で発生したドレンはドレンタンク２３に貯留される。

冷却モードは、水（冷却水）が反応釜２１のジャケット部２２に供給されて対象物が冷却されるモードである。冷却モードでは、第１ポンプ２４および第２ポンプ２５の両方が駆動されると共に、水供給弁３２および蒸気排出弁３４が開状態に設定され、蒸気供給弁３１が閉状態に設定される。この状態において、第２循環配管１６では、第２ポンプ２５によってドレンタンク２３の水が第２エゼクタ２７に供給されると共にジャケット部２２に供給される。ジャケット部２２では、供給された水が対象物と熱交換して気化し、対象物が冷却（気化冷却）される。第２エゼクタ２７に供給された水は、再びドレンタンク２３に戻る。その際、ジャケット部２２で水が気化して発生した蒸気が、蒸気排出管１４を介して第２エゼクタ２７に吸引され、ドレンタンク２３に流入する。一方、第１循環配管１５では、加熱モードと同様、第１ポンプ２４によってドレンタンク２３の水が第１エゼクタ２６に供給され、再びドレンタンク２３に戻る。その際、ジャケット部２２で気化しきれなかった水等が、ドレン排出管１３を介して第１エゼクタ２６に吸引され、ドレンタンク２３に流入する。

保持モードは、反応釜２１への蒸気および水（冷却水）の供給が停止され、対象物が加熱も冷却もされないモードである。保持モードでは、第１ポンプ２４が駆動されると共に、蒸気供給弁３１、水供給弁３２および蒸気排出弁３４の何れもが閉状態に設定される。なお、第２ポンプ２５は停止状態である。この状態において、第１循環配管１５では、加熱モードと同様、第１ポンプ２４によってドレンタンク２３の水が第１エゼクタ２６を介して再びドレンタンク２３に戻り、ジャケット部２２のドレンが第１エゼクタ２６に吸引されてドレンタンク２３に流入する。

〈制御部の構成および制御動作〉
図１に示すように、制御部５０は、算出部５１と、モード選択部５２と、駆動部５３とを有している。制御部５０は、反応釜２１の対象物の温度（以下、実測値（PV）という。）が設定値（SV）になるように、上述した３つの運転モードの切り換えを行う。制御部５０には、温度センサ４１の検出値が実測値（PV）として入力される。

制御部５０は、制御モードとして、「急速モード」と「高精度モード」の２つを有しており、この何れかのモードがモード選択部５２によって選択される。モード選択部５２は、実測値（PV）が設定値（SV）を含む所定範囲内の値である場合は「高精度モード」を選択し、実測値（PV）が上記所定範囲外の値である場合は「急速モード」を選択する。具体的に、本実施形態では、設定値（SV）よりも所定量（例えば、１℃）高い高温側閾値（KH）と、設定値（SV）よりも所定量（１℃）低い低温側閾値（KL）が設定されている（図３参照）。実測値（PV）が低温側閾値（KL）以上で高温側閾値（KH）以下の値である場合は「高精度モード」が選択され、実測値（PV）が低温側閾値（KL）未満の値または高温側閾値（KH）よりも高い値である場合は「急速モード」が選択される。

制御部５０は、「急速モード」の場合、加熱モードと冷却モードの何れかがモード選択部５２によって選択される。具体的に、実測値（PV）が低温側閾値（KL）よりも低い場合は加熱モードが選択され、実測値（PV）が高温側閾値（KH）よりも高い場合は冷却モードが選択される。モード選択部５２によって運転モードが選択されると、駆動部５３によって各ポンプ２４，２５および各弁３１，３２，３４が上述した状態に駆動される。このように、「急速モード」は、実測値（PV）と設定値（SV）の温度差（TDI）が比較的大きいことから、いち早く実測値（PV）を設定値（SV）に近づけるために対象物を一気に加熱または冷却するモードである。

制御部５０は、「高精度モード」の場合、図２に示すフローチャートに従って、加熱モード、保持モードおよび冷却モードの何れかを選択する。以下、その選択動作について図２を参照しながら詳しく説明する。

先ず、制御部５０では、算出部５１が入力された実測値（PV）に基づいて温度変化量（TDE）および温度差（TDI）を算出する（ステップＳＴ１、ＳＴ２）。具体的に、温度変化量（TDE）および温度差（TDI）はそれぞれ以下に示す式によって算出される。
TDE＝今回のPV−前回のPV ・・・式１
TDI＝SV−今回のPV ・・・式２
つまり、温度変化量（TDE）および温度差（TDI）は一定時間置きに算出され、温度変化量（TDE）は実測値（PV）に関する前回からの変化量（一定時間当たりの変化量）であり、温度差（TDI）は実測値（PV）と設定値（SV）との差である。

続いて、制御部５０では、算出部５１が温度変化量（TDE）および温度差（TDI）に基づいて判定係数（JC）を算出する（ステップＳＴ３）。具体的に、判定係数（JC）は以下に示す式によって算出される。
JC＝TDI／(TDE＋α) ・・・式３
ここに、αは「TDE＋α」（即ち、割り算の分母）がゼロにならないように便宜上付加している定数である。上記の式３は本発明に係る判定式を構成する。

続いて、制御部５０では、モード選択部５２が判定係数（JC）に基づいて加熱モード、保持モードおよび冷却モードの何れかを選択する（ステップＳＴ４〜ＳＴ７）。具体的に、モード選択部５２は、予め加熱側基準値（HJS）と冷却側基準値（CJS）を有しており、これらの基準値と算出部５１によって算出された判定係数（JC）とを大小比較する（ステップＳＴ４）。加熱側基準値（HJS）および冷却側基準値（CJS）は、判定係数（JC）の基準値であり、互いに異なる値に設定されている。また、加熱側基準値（HJS）は冷却側基準値（CJS）よりも低い値に設定されている。そして、比較の結果、判定係数（JC）が加熱側基準値（HJS）よりも低い場合は加熱モードが選択される（ステップＳＴ５）。また、判定係数（JC）が加熱側基準値（HJS）以上で冷却側基準値（CJS）以下である場合は保持モードが選択される（ステップＳＴ６）。また、判定係数（JC）が冷却側基準値（CJS）よりも高い場合は冷却モードが選択される（ステップＳＴ７）。

温度変化量（TDE）は実測値（PV）が増減速度を示すものであり、温度差（TDI）は実測値（PV）が設定値（SV）に対してどの程度高いまたは低いかを示すものである。したがって、温度変化量（TDE）および温度差（TDI）を含む式によって算出される判定係数（JC）は、実測値（PV）がどのぐらいの時間で設定値（SV）に到達するかの程度を示すものといえる。判定係数（JC）が加熱側基準値（HJS）よりも低い場合は、実測値（PV）が設定値（SV）よりも低く且つ実測値（PV）が設定値（SV）に到達するまでの時間が比較的長いと判定される。よって、この場合は対象物を加熱していち早く実測値（PV）を設定値（SV）まで増加させる必要がある。また、判定係数（JC）が冷却側基準値（CJS）よりも高い場合は、実測値（PV）が設定値（SV）よりも高く且つ実測値（PV）が設定値（SV）に到達するまでの時間が比較的長いと判定される。よって、この場合は対象物を冷却していち早く実測値（PV）を設定値（SV）まで減少させる必要がある。また、判定係数（JC）が加熱側基準値（HJS）以上で冷却側基準値（CJS）以下である場合は、実測値（PV）と設定値（SV）との差が小さく且つ実測値（PV）が設定値（SV）に到達するまでの時間が比較的短いと判定される。よって、この場合は、加熱も冷却もしない。仮に、加熱または冷却をすると実測値（PV）がいわゆるオーバーシュートまたはアンダーシュートしてしまい、結果としてハンチング現象が起きてしまうが、本実施形態では保持モードを選択して加熱も冷却もしないようにしているので、ハンチング現象を抑制できる。

このように、「高精度モード」では、温度変化量（TDE）および温度差（TDI）に基づいて判定係数（JC）を算出し、その判定係数（JC）と加熱側基準値（HJS）または冷却側基準値（CJS）との差に応じて３つの運転モードを選択するようにした。そのため、加熱時における温度特性または加速度特性と、冷却時における温度特性または加速度特性とが異なっている場合であっても、３つの運転モードを適切なタイミングで切り換えて木目細やかな温度制御を行うことができる。したがって、図３に示すように、ハンチング現象を抑制して実測値（PV）をいち早く設定値（SV）に近づけることが可能になり、高精度な温度制御を行うことができる。なお、図３において、加熱フラグ、保持フラグおよび冷却フラグはそれぞれ加熱モード、保持モードおよび冷却モードが選択されていることを示す。

なお、温度特性や加速度特性の外乱要素として、加熱または冷却される対象物の熱特性（自己発熱または自己放熱）や環境特性（熱源の発熱特性または放熱特性）などが挙げられ、これらの各特性に応じて加熱側基準値（HJS）または冷却側基準値（CJS）を決定することができる。

本発明は、対象物を蒸気で加熱し水で冷却する加熱冷却装置について有用である。

１加熱冷却装置
１０流体回路
５０制御部

Claims

対象物を蒸気で加熱する加熱モードと、上記対象物を水で冷却する冷却モードと、上記対象物を加熱も冷却もしない保持モードとが実行可能に構成された流体回路と、上記対象物の温度が設定値となるように、上記３つのモードを切り換える制御部とを備えた加熱冷却装置であって、
上記制御部は、上記対象物の一定時間当たりの温度変化量を含む判定式に基づいて、上記加熱モード、冷却モードおよび保持モードの何れかを選択することを特徴とする加熱冷却装置。
請求項１に記載の加熱冷却装置において、
上記判定式は、上記対象物の一定時間当たりの温度変化量と、上記対象物の温度と設定値との温度差とに基づいて判定係数を算出するものであり、
上記制御部は、上記判定係数が予め設定された加熱側基準値よりも低い場合は上記加熱モードを選択し、上記判定係数が予め設定された冷却側基準値よりも高い場合は上記冷却モードを選択し、上記判定係数が上記加熱側基準値以上で上記冷却側基準値以下である場合は上記保持モードを選択するように構成されていることを特徴とする加熱冷却装置。