JP2017122704A - アクティブ熱流制御装置を有する秤 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の放熱が秤量動作速度、精度に影響しないようにする。【解決手段】天秤３０は、秤量区画２２に収容された秤量パン２１と、秤量区画に隣接する天秤ハウジング２３と、を有する単一ユニットとして構成され、天秤ハウジングは、秤量セル区画２４と電子機器区画２５と、熱電ヒートポンプモジュール２７と、熱流コントローラ２８と、を収容する。天秤は、制御入力として熱流コントローラに利用可能な量を作り出すために、天秤ハウジング内の秤量セル区画から電子機器区画へ向かう方向の正味の熱流Ｐｎｅｔを決定する手段を備える。熱電ヒートポンプモジュールは、天秤ハウジング内に配置され、制御入力量に基づいて熱流コントローラによって調節され、秤量セル区画内で生じる熱放散速度に実質的に等しいレベルに正味の熱流Ｐｎｅtを保持する大きさおよび方向のアクティブ熱流ＰＡを発生させる。【選択図】図４

Description

［0001］本発明は、典型的には研究、製造および試験室で使用される種類の化学天秤に関する。

表示される秤量結果（グラム単位）の小数点以下の桁数に応じて、化学天秤のフィールドが、
− 小数点第４位を有するマクロ化学天秤（ｄ＝０．０００１ｇ）
− 小数点第５位を有するセミミクロ化学天秤（ｄ＝０．００００１ｇ）
− 小数点第６位を有するミクロ化学天秤（ｄ＝０．０００００１ｇ）
− 小数点第７位を有するウルトラミクロ化学天秤（ｄ＝０．００００００１ｇ）
に分割され得る。ｄは、重量ディスプレイのデジタルインクリメントを表す。

［0002］典型的な構成では、化学天秤は、ワークテーブル上での操作のために調整され得るユニットして自身を提供し、閉鎖された透明の秤量区画の内部の秤量パンと、表示パネルと、前部に位置する、すなわち、人間の操作者に対面する制御要素と、を有しており、また、秤量区画の後方側に隣接するとともに天秤の機械的、電気的および電子的な作動部品を収容する筐体を有している。

［0003］小数点第５位およびそれ以上を有する天秤では、特に、ミクロ天秤およびウルトラミクロ天秤では、秤量区画内の空気温度は、重要な要因である。秤量区画内の温度が周囲雰囲気と異なる場合、秤量区画の扉を開けることによって、内部と外部との温度勾配に起因して強い気流が生じる。乱流が落ち着くには長時間を要するので、秤量工程は、安定した結果が表示されるまでの長い過渡期間によって遅くなり、再現性に悪影響を与える。秤量区画の扉が閉められた後、周囲雰囲気から秤量区画内に移動した空気は、天秤の電気要素および電子要素のワット損に起因して熱くなる。温度が上昇する結果として、空気密度（ひいては、秤量対象物に作用する空気浮力効果）が経時的に変化し、その結果、表示される秤量結果が数分にわたってふらつく（つまり、ゆっくりと変化する）ことがある。

［0004］さらに、天秤の電気要素および電子要素のワット損によって生じる問題は、天秤における電力消費構造（例えば、グラフィックユーザインタフェース、ネットワーク接続および周辺機器への接続性）への高まる需要とともに増大する。

［0005］本発明の譲受人によって製造されるミクロ天秤およびウルトラミクロ天秤で使用される従来技術の解決策によれば、天秤の温度感知部品は、ケーブルおよび／またはプラグコネクタによって互いに接続された別のモジューラユニットにそれらを組み込むことによって、電力放散部品から分離される。第１のユニットすなわち秤量モジュールは、秤量パンを有する秤量区画と、秤量区画の後部壁に直接的に隣接するとともに当該後部壁を形成する）秤量セルと必要最低限の電子部品のみとを収容する第１の筐体と、を備えている。第２のユニットすなわち電子モジュールは、第２の筐体内に収容されており、本質的に、秤量モジュールを支援するために、アナログ電子機器およびデジタル電子機器と、関連する電力供給回路と、を備えている。第３のユニットすなわち表示モジュールまたはユーザインタフェースモジュールは、第３の筐体を占有する。また、第３のユニットは、関連する電子機器を有するタッチスクリーンディスプレイと、電源供給回路と、を備えている。このモジューラシステムは、秤量動作の速度および精度に影響を与える温度が引き起こす空気流の上述の問題に対する十分な解決策を提供する。

［0006］本発明の譲受人によって開発され、欧州特許第１３９６７１１号に開示された他の解決策によれば、秤量区画と、秤量セルおよび天秤の電子機器を収容する直接的に隣接する筐体と、を有する単一のユニットとして構成された天秤は、秤量区画の外部の位置のところで天秤に配置された熱電ヒートポンプモジュール（例えば、ペルチェ素子）を備えている。熱電ヒートポンプモジュールの冷却側は、秤量区画と秤量セル区画との間の熱伝導性鉛直分離壁の底部に熱的に接続される。このため、適切に選択され、工場で設定される熱電ヒートポンプモジュールの電力レベルによって、秤量区画の内部は、温度が後部壁の底部から頂部まで増加する温度勾配を確立しつつ、周囲に近い温度レベルに保持され得る。このことは、秤量区画内の空気温度が同様に底部から頂部まで増加し、それによって、秤量区画内における安定的な熱階層または空気の層化を促進するという効果を有している。秤量パンに作用する対流空気の流れが結果として存在しないことに起因して、表示される秤量結果は安定した状態に維持される。この解決策は、秤量区画内の空気流の問題を解決するが、同一の筐体を秤量セルと共有する電子機器および電源供給部から秤量セルに作用する熱的な影響を十分に抑制するものではない。

［0007］ドイツ国特許第１０２００９０５５６２２号に開示される単一ユニット構成の他の化学天秤では、秤量パンを有する秤量区画は、秤量セルおよび電子機器を収容する閉鎖されたベースの頂部に載置される。秤量区画の床を形成する第１の熱伝導性プレートが、熱電ヒートポンプモジュールの冷却側に接続され、一方、熱電ヒートポンプモジュールの加熱側は、ヒートパイプによって、秤量区画の天井を形成する第２の熱伝導性プレートに接続される。秤量区画の内部の頂部および底部の近くにそれぞれ配置された第１および第２の温度センサを有するフィードバック制御回路によって熱電ヒートポンプモジュールの電力を調節し、第１および第２の温度センサの信号の平均をフィードバック量として使用することが提案されている。さらに発展的な実施形態では、第３の温度センサが、秤量区画の外部に、すなわち、周囲雰囲気にさらされて追加され、熱電ヒートポンプモジュールの電力は、第１および第２の温度センサの上述した平均信号に応じて、さらに、第３の温度センサの信号に応じて調節される。

［0008］電子機器によって発生される熱の結果として生じる、化学天秤の秤量区画内での対流空気流を防止するための従来技術の上述の例では、以下の事項からの進歩が認識されるであろう。
ａ）空間的に分離されたモジューラユニットにおいて天秤の電力放散部品を収容することに依存する完全にパッシブな解決策
ｂ）フィードバック制御を行うことなく動作する熱電ヒートポンプモジュールを使用したアクティブな開ループの解決策
ｃ）温度センサによって測定された１つ以上の実温度に基づいたフィードバック制御によって電力が制御される熱電ヒートポンプモジュールを使用したアクティブな閉ループの解決策

［0009］上述したように、空間的に分離されたモジューラユニットにおいて天秤の電力放散部品を収容するパッシブな解決策は、電子機器によって放散された熱が秤量動作の速度および精度に影響を与えることを防止することができることを証明したが、分離型モジューラユニットによって生じるモジューラシステムの高コスト化および作業表面積の増大は、単一ユニット構成と比べて欠点であると理解される。したがって、本願出願人は、モジューラシステムの秤量モジュールおよび電子機器モジュールが、本質的に、単一ユニットの化学天秤に組み入れられ、単一ユニットの化学天秤が、秤量区画を備え、秤量パンおよび秤量セル、ならびに、天秤のアナログ電子機器、デジタル電子機器および関連する電力供給回路を有する解決策を目指した。

［0010］第１のアプローチとして、予め分離された秤量モジュール（秤量区画および秤量セル）および電子機器モジュール（アナログ電子機器、デジタル電子機器および関連する電力供給回路）が組み立てられて１つの本体になり、それらの間にパッシブ分離障壁を有する解決策が検討された。秤量モジュールおよび電子機器モジュールの内部で測定されたそれぞれの作動温度の違いに基づいて、電子機器モジュールから秤量モジュールへの熱流を許容可能な０．０５ワットまで低減するために８０ｍｍの厚みのポリエチレン製の分離障壁が必要になることが計算された。このことは、許容できないと見なされる程度まで製品の寸法を大きくしてしまった。

［0011］したがって、パッシブ分離障壁によって熱流を低減するアイディアは、熱流測定装置からの閉ループフィードバックによって制御される少なくとも１つの熱電ヒートポンプモジュールの形態のアクティブ補償手段、特に、ペルチェモジュールによって熱流を調節する概念の方を好ましく考えて、断念された。

［0012］したがって、本発明の目的は、１０^−５〜１０^−７グラムの分解能を有し、天秤の電子機器および電力供給回路から生じる熱が秤量セルおよび秤量区画に入ることを防止するためのアクティブフィードバック調節制御手段を有する天秤、特に化学天秤を提供することである。

［0013］この努力は、ドイツ国特許第１０２００９０５５６２２号で提案されているような温度を制御して温度ベースのフィードバック信号を使用する最新技術の概念とは対照的に、単一ユニットの化学天秤内の熱発生電子機器および熱電ヒートポンプモジュールによって生じる熱流を制御するために、熱流ベースのフィードバック信号が使用されるアプローチに焦点が当てられたことに最初から留意することが重要である。

［0013］この努力は、ドイツ国特許第１０２００９０５５６２２号で提案されているような温度を制御して温度ベースのフィードバック信号を使用する従来技術の概念とは対照的に、単一ユニットの化学天秤内の熱発生電子機器および熱電ヒートポンプモジュールによって生じる熱流を制御するために、熱流ベースのフィードバック信号が使用されるアプローチに焦点が当てられたことに最初から留意することが重要である。

［0014］本発明によれば、上述の目的は、請求項１の特徴を備える天秤によって達成される。本発明のさらに発展した実施形態および詳細は、従属請求項に記載されている。

［0015］本発明にしたがった天秤は、秤量区画内に収容される秤量パンを有するとともに秤量区画に隣接する天秤ハウジングを有する単一ユニットとして構成される。天秤ハウジングは、秤量セルを収容する秤量セル区画と、電子機器および電子回路素子を収容する電子機器区画と、熱電ヒートポンプモジュールと、熱流コントローラと、を収容する。本発明によれば、天秤は、秤量セル区画から電子機器区画へ向かう方向における天秤ハウジング内の正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを、熱流コントローラのための制御入力信号として決定する手段を備えている。さらに、本発明によれば、熱電ヒートポンプモジュールは、天秤ハウジングの内部に配置され、秤量セル区画の内部に生成される熱放散の速度と実質的に等しいレベルで正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを保持する大きさおよび方向のアクティブ熱流Ｐ_Ａを生成するために、制御入力信号に基づいて熱流コントローラによって調節される。

［0016］したがって、秤量セル区画内の要素によって生成される熱放散が知られる必要があり、また、十分に一定にされる必要があり、あるいは、その大きさは、計算または測定されて、熱流コントローラへの追加的な入力として送信される必要がある。

［0017］本発明の好ましい実施形態では、熱電ヒートポンプモジュールは、第１の側すなわち冷却側と、第２の側すなわち加熱側と、を有するペルチェモジュールである。ペルチェモジュールがヒートポンプとして動作する場合、熱流コントローラは、ペルチェモジュールを介して電流を送り、ペルチェモジュールに、第１の側からの熱を除去させるとともに、第２の側に熱を発生させ、それによって、第１の側から第２の側へのアクティブ熱流Ｐ_Ａが確立される。好ましい内部構成として、天秤ハウジングは、秤量セル区画から電子機器区画へ向かう方向に順次、第１の内壁と、介在空間と、第２の内壁と、を収容する。ペルチェモジュールは、その第１の側が第１の内壁に熱的に接続されるとともにその第２の側が第２の内壁に熱的に接続された状態で、介在空間に配置される。ペルチェモジュールを取り囲む残りの介在空間は、断熱材によって満たされる。秤量セル区画から電子機器区画へ向かう方向における、天秤ハウジング内の正味の熱流Ｐ_ｎｅｔは、アクティブ熱流Ｐ_Ａから、アクティブ熱流Ｐ_Ａと逆の方向に断熱材を通るパッシブ熱流Ｐ_Ｉを差し引いた差に等しい。すなわち、Ｐ_ｎｅｔ＝Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｉである。

［0018］本発明の好ましい実施形態では、ペルチェモジュールは、ヒートポンプとして機能することに加えて、正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを決定する手段としても機能する。この実施形態では、ペルチェモジュールは、ヒートポンプモードと熱電発電器モードとの間で交互に切り替え可能である。熱電発電器モードでは、ペルチェモジュールの第１の側と第２の側との間に温度差ΔＴ_Ｉが存在する場合、ペルチェモジュールは、温度差ΔＴ_Ｉに対応する電気信号を熱流コントローラに送信することができる。図３の説明で以下により詳細に説明されるように、ペルチェモジュールが発電器モードで動作している間に受け取ったΔＴ_Ｉを表す電気信号に基づいて、熱流コントローラは、正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを計算する。ペルチェモジュールが再びヒートポンプモードに切り替えられた後、熱流コントローラは、上述したように、計算されたＰ_ｎｅｔの値に基づいて、ペルチェモジュールに供給される電力を調節して、所望の大きさのアクティブ熱流Ｐ_Ａを発生させる。

［0019］他の同様に好ましい実施形態では、ペルチェモジュールは、ヒートポンプとしてのみ動作し、天秤ハウジングは、さらに、秤量セル区画と第１の内壁との間で、秤量セル区画に隣接する第３の内壁と、第３の内壁と第１の内壁との間に配置された熱抵抗（Ｒ_ｔｈ）の断熱材の境界層と、を収容する。正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを決定する手段は、第３の内壁および第１の内壁のところにそれぞれ配置された一対の温度センサを備えている。一対の温度センサによって生成される少なくとも１つの温度信号に基づいて、熱流コントローラは、境界層を通る熱流Ｐ_ｎｅｔを計算する。

［0020］本発明の好ましい実施形態では、一対の温度センサは、第３の内壁の第１の温度Ｔ_１を測定するための第１の温度センサと、第１の内壁の第２の温度Ｔ_２を測定するための第２の温度センサと、を備えている。第１および第２の温度センサによって送信されるそれぞれの温度信号Ｔ_１，Ｔ_２に基づいて、熱流コントローラは、境界層を通る熱流Ｐ_ｎｅｔを次式にしたがって計算する。

［0021］代替の同様に好ましい実施形態では、一対の温度センサは、一対の非直列接続熱電対を備えており、その接点は、第３の内壁および第１の内壁にそれぞれ配置される。この熱電対の対は、第３の内壁の第１の温度と第１の内壁の第２の温度Ｔ_２との温度差ΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２を直接的に測定し、温度差信号ΔＴを熱流コントローラに送信することができる。温度差信号ΔＴに基づいて、熱流コントローラは、境界層を通る熱流Ｐ_ｎｅｔを次式にしたがって計算する。

［0022］境界層を通る熱流を測定するために、任意の特定の技術に関して制限されることなく、原理的に任意の種類の市販の熱流センサを使用することができる。例えば、第２のペルチェモジュールが熱流センサとして使用されてもよい。この第２のペルチェモジュールは、熱電発電器として動作し、その出力信号は熱流信号として使用される。

［0023］他の好ましい実施形態では、電子機器区画は、温度感知主アナログ電子機器回路を収容する秤量電子機器室と、主デジタル回路とほとんど温度感知しない他の電力放散素子とを収容するデジタル電子機器室と、に分割される。上述した第１の実施形態と比較して、天秤ハウジングは、秤量セル区画から電子機器区画に向けて順次互いに隣接する次の追加的な要素、すなわち、秤量セル区画に隣接する第３の内壁と、熱抵抗Ｒ_ｔｈの断熱材の境界層と、第４の内壁と、第４の内壁と第１の内壁との間の秤量電子機器室と、を収容する。正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを決定する手段は、第３の内壁および第４の内壁にそれぞれ配置される一対の温度センサを備えている。一対の温度センサから熱流コントローラへ送信される少なくとも１つの温度信号に基づいて、熱流コントローラは、上述した実施形態と同様に、境界層を通る熱流を計算する。

［0024］上述した実施形態の構成において、秤量電子機器室内に収容された回路素子は、例えば、Ａ／Ｄコンバータと、その電圧基準と、を備えており、これらは、温度感知性を有しているが、比較的少量の熱を発生させる。デジタル電子機器室に割り当てられたこの回路素子は、特定の作動範囲内での温度変化を感知しないが、それらの熱放散は、変動することがあり、秤量電子機器の熱放散よりも大きいオーダーである。上記の実施形態では、温度感知秤量電子機器は、デジタル電子機器の温度変動から離れた状態に保たれる。

［0025］さらに、上述の実施形態では、熱電ヒートポンプモジュールは、秤量セル区画内で生成される熱に加えて、秤量電子機器室内で生成される熱を取り除く追加的な役割を与えられる。したがって、熱電ヒートポンプモジュールの冷却能は、適宜増大される必要がある。

［0026］本発明による天秤のさらに発展した実施形態では、追加的な熱を放散する追加的な電子素子が、秤量セル区画（例えば、表示パネルまたは傾斜計など）に組み入れられるか、取り付けられる（電子レベル外感知デバイス）。これらの追加的な電子素子からの熱放散速度は、変動することがあるか、断続的になることがあり、その大きさは、必要に応じて正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを調節して追加的な電子素子に起因する熱の増大した量を取り除くために、計算または測定されて、追加的な入力として熱流コントローラに送信される必要がある。

［0027］本発明の全ての実施形態において、天秤ハウジングが、天秤の周囲雰囲気にさらされた冷却フィンを有する外壁部分を備えることが有益である。特に有利な構成では、冷却フィンは、電子機器区画を取り囲む外壁の一部分に配置される。

［0028］図面に概略的に示される実施形態によって、本発明による天秤が以下に説明される。

従来技術によるモジューラ天秤を示している。 前方から見た本発明による天秤を示している。 秤量セル区画と電子機器区画との間にアクティブ熱流制御装置を有する本発明の第１の実施形態を示している。 秤量セル区画と電子機器区画との間にアクティブ熱流制御装置を有する本発明の第２の実施形態を示している。 図４の実施形態についての代替熱センサ構成を示している。 本発明の第３の実施形態を示しており、天秤ハウジングの内部は、秤量セル区画と秤量電子機器室とデジタル電子機器室とに分割されている。

［0029］図１は、本発明の譲受人によって製造されている従来技術の天秤１を示している。天秤１の温度感知部品、すなわち、秤量区画５および隣接する秤量セル区画４は、秤量モジュール２内で一緒に接合されている。アナログ電子機器およびデジタル電子機器、ならびに、電力放散のほとんどを生成する電気部品は、秤量ターミナルと総称される別体のモジューラユニット３内に一緒に接合されている。モジューラユニット３は、この場合、タッチスクリーンディスプレイ６と、電子機器モジュール７と、を備えている。上述したように、従来技術の天秤１のモジューラレイアウトは、電力放散電子機器および電気部品によって化学天秤において生じる熱的な問題を緩和する十分な解決策を提供するが、このモジューラ構成は、単一ユニットとして構成される天秤よりも本質的に高価であり、大きな場所を占める。

［0030］したがって、図２に天秤１０として示される単一ユニットにおいて従来技術の天秤１の秤量モジュール２と電子機器モジュール７とを組み合わせる課題が提供される。図２は、冷却フィン１５を有する天秤ハウジング１４に前方で隣接する円筒状の秤量区画１２および扉ハンドル１３と、後部にある調節可能な水平化脚部１６および電力・インタフェースコネクタソケット１７と、を有してユーザに提供する本発明による天秤１０の前方斜視図を示している。従来技術の天秤１において秤量区画５および電子機器モジュール７に割り当てられていた部品は、ここでは、天秤ハウジング１４内に収容されている。オプションとしての補助的な秤量ディスプレイ１８が秤量区画１２の直上において天秤ハウジングに取り付けられている。天秤１０の主ユーザインタフェースは、従来技術の天秤１のタッチスクリーンディスプレイ６と同様に、依然として別体のモジュール（図２では図示せず）として構成されている。主ユーザインタフェースを別体モジュールのままとしている理由は、タッチスクリーンまたは他の入力デバイスが天秤１０に一体的に組み入れられている場合においてタッチスクリーンまたは他の入力デバイス上のキーを押すときに操作者の手によって生じ得る熱的および機械的な外乱から天秤１０を保護するためである。

［0031］図３は、図２の天秤１０の単一ユニット構成における本発明による天秤２０の第１の実施形態を示している。天秤２０は、秤量区画２２内に収容された秤量パン２１と、秤量区画２２に隣接する天秤ハウジング２３と、を備えている。天秤ハウジング２３は、秤量セル（図示せず）を収容する秤量セル区画２４と、電気電子回路素子（図示せず）を収容する電子機器区画２５と、熱電ヒートポンプモジュール２７（典型的には、ペルチェモジュール２７）と、熱流コントローラ２８と、を収容している。ペルチェモジュール２７は、第１の内壁３３と第２の内壁３５との間に挟まれており、ペルチェモジュール２７を取り囲む介在空間３４は、断熱材３７で満たされている。内壁３３，３５は、熱伝導性材料から形成されており、その結果、第１の内壁３３は、実質的に均一な第１の温度を有し、第２の内壁３５は、実質的に均一な第２の温度を有する。

［0032］図３は、さらに、天秤２０における熱源および熱流を示している。上述した通り、化学天秤の秤量セルは、温度に敏感であり、したがって、秤量セル区画２４内における熱の発生は、最小限（典型的には、図面に図示されるように０．１Ｗのオーダー）に維持される。これとは対照的に、本発明による天秤における電子機器区画での熱の発生は、典型的には３Ｗのオーダーである。より大きな熱放散、ひいては、電子機器区画２５がより高温になる結果として、パッシブ熱流Ｐ_Ｉは、内壁３５から断熱材３７を通って内壁３３まで生じる。一方、ペルチェモジュール２７は、内壁３３から熱を取り除き、内壁３５の側に熱を発生させ、したがって、パッシブ熱流Ｐ_Ｉと反対の方向にアクティブ熱流Ｐ_Ａを生じさせる。差Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｉ＝Ｐ_ｎｅｔは、秤量セル区画２４から電子機器区画２５へ向かう方向における正味の熱流を表している。最後に、矢印Ｐ_Ｏは、電子機器区画２５から冷却フィン３６を通って外部に至る熱流を表している。

［0033］図３の実施形態では、ペルチェモジュール２７は、２つの動作モードの間で交互に切り替え可能である。第１の動作モードでは、ペルチェモジュールは、上述したアクティブ熱流Ｐ_Ａを発生させる熱圧送モジュールとして働く。第２の動作モードでは、ペルチェモジュールは、ペルチェモジュールの第１の側と第２の側との間の温度差用のセンサとして働く。ペルチェモジュールの第１の側と第２の側との間に温度差ΔＴ_Ｉが存在する場合、ペルチェモジュールは、温度差ΔＴ_Ｉを表す電圧の形態の電気信号を生成し、それを熱流コントローラ２８へ送信する。

［0034］温度差ΔＴ_Ｉへ応答する電圧の形態の電気信号の生成は、ゼーベック効果と称される。測定された電圧Ｕ_{ｓｅｅｂｅｃｋ}から、温度差は、以下のように計算できる。

ここで、因子ｋ_２は、天秤の製品開発において決定され得るペルチェモジュールの特性に主に依存する。次いで、温度差ΔＴ_Ｉに基づいて、断熱材３７を通る熱流Ｐ_Ｉは次のように計算できる。

ここで、因子ｋ_１は、断熱材３７の寸法および特性に依存し、天秤の製品開発において実験的に決定され得る。最後に、熱流Ｐ_ｎｅｔは、ペルチェモジュールのヒートポンプモードにおいて以前に発生した熱流Ｐ_Ａから上記の最後の式によって温度差ΔＴ_Ｉから決定される熱流Ｐ_Ｉを差し引いた差として決定される。すなわち、以下の通りである。

熱流Ｐ_ｎｅｔに基づいて、熱流コントローラ２８は、再びヒートポンプモードに切り替えられた後にペルチェモジュール２７によって発生されるアクティブ熱流Ｐ_Ａを決定する。ペルチェモジュール２７は、熱流コントローラ２８によって調節され、秤量セル区画２４の内部で生成される熱を取り除くために必要な制御されたレベルに正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを維持する大きさおよび方向のアクティブ熱流Ｐ_Ａを発生させる。

［0035］追加的な電力消費部品（例えば、約０．２ワットを使用する図２に示されるオプションとしての予備秤量ディスプレイ１８、または、約０．１ワットを使用する電子レベル表示器）が秤量セル区画２４に追加される場合、秤量セル区画２４から生じるワット損は、比例的に増加し、さらに変わり得る。それは、熱流コントローラ２８によって維持される必要がある熱流Ｐ_ｎｅｔの必要なレベルに影響するので、追加的な電力消費が計算または測定され、追加的な入力として熱流コントローラ２８に提供される必要がある。

［0036］図３の上述の実施形態とは対照的に、ペルチェモジュール２７がヒートポンプ、および、熱流Ｐ_ｎｅｔを決定するための間接的手段の両方として機能する場合、図４の天秤３０は、正味の熱流Ｐ_ｎｅｔを決定するために専用の別体の手段を使用する。図示されるように、熱流決定手段は、既知の熱抵抗Ｒ_ｔｈの断熱材の平坦な境界層２９の両側に配置された一対の温度センサ３１，３２として構成される。温度センサ３１，３２は、秤量セル区画２４の方を向いた境界層２９の側の第３の内壁３８の第１の温度Ｔ_１と、電子機器区画２５の方を向いた境界層２９の側の第１の内壁３３の第２の温度Ｔ_２と、をそれぞれ測定する。温度センサ３１，３２から受け取った電気信号に基づいて、熱流コントローラ２８は、境界層２９を通る熱流（これは、正味の熱流Ｐ_ｎｅｔ＝Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｉに等しい）を次式にしたがって計算する。

［0037］図４Ａは、図４の温度感知構成の代替形態を示している。境界層２９を通る熱流を決定する手段は、非直列に接続された一対の熱電対を備えており、２つの熱電対材料Ａ，Ｂは、Ａ−Ｂ−Ａの順に接合され、接点Ａ−ＢおよびＢ−Ａ（それぞれ、３１’，３２’として示されている）は、境界層２９の両側に配置されている。そのような熱電対の対３１’，３２’は、温度差Ｔ_１−Ｔ_２を直接的に測定して、対応する信号を熱流コントローラ２８に送信することができる。

［0038］図５は、本発明による天秤４０のさらなる実施形態を示している。天秤４０は、電子機器区画２５が、温度感知主アナログ電子回路を収容する秤量電子機器室４１と、主デジタル回路および他の電力消散素子を収容するデジタル電子機器室４２と、に分割されている点が図３の天秤２０および図４の天秤３０と異なっている。天秤２０の部品と同一の天秤４０の部品は、図３および図４と同一の参照符号によって特定される。

［0039］図５の天秤４０では、秤量電子機器室４１は、第４の内壁３９を横切って境界層２９に隣接しており、一方、秤量電子機器室４１の反対側は、第１の内壁３３によって境界付けられている。デジタル電子機器室４２は、第２の内壁３５を超えて、天秤ハウジング２３の端部を占めている。図４の天秤３０と同様に、境界層２９を通る熱流は、温度センサ３１，３２によって決定される量であり、それに基づいて、熱流コントローラ２８は、ペルチェモジュール２７によって発生されるアクティブ熱流Ｐ_Ａを調節する。

［0040］図５は、さらに、電力放散が熱になった結果として天秤４０内に生じる熱流を示している。図３および図４の上述の例と同様に、秤量セル区画２４内の秤量セルは、典型的には０．１ワットのオーダーで消散し、秤量セル区画２４から境界層２９を通って秤量電子機器室４１に入る僅かな熱流を生じさせる。典型的には、秤量電子機器室４１の主アナログ電子機器は、０．５ワットを消散し、一方、デジタル電子機器室４２内の回路は、２．５ワットを消散し、それによって、冷却フィン３６を通って外部に至る比例した大きさの熱流Ｐ_Ｏと、ペルチェモジュール２７のまわりの介在空間３４を満たす断熱材３７を通って秤量電子機器室４１へ向かう熱流Ｐ_Ｉと、が生じる。ヒートポンプジュール２７は、熱流コントローラ２８によって指示された通りにアクティブ熱流Ｐ_Ａを発生させ、熱流Ｐ_ｎｅｔを所望のレベルに維持する。

［0041］いくつかの特定の実施形態を提示して本発明を説明したが、本発明の教示に基づいて、例えば、個々の実施形態の特徴を互いに組み合わせることによって、および／または、実施形態の個々の機能部を互いに対して置換することによって、多数の追加的な変形形態を開発できることが明らかであると考えられる。例えば、図４Ａに示されたような熱流Ｐ_ｎｅｔを決定するための代替手段、または、ペルチェモジュールをヒートポンプとして、また、温度差ΔＴ_Ｉ用の感知デバイスとして交互に使用する概念は、図５の実施形態にも明らかに適用され得る。

１…従来技術を表す天秤
２…秤量モジュール
３…秤量ターミナル
４…秤量セル区画
５…秤量区画
６…タッチスクリーンディスプレイ
７…電子機器モジュール
１０…本発明による天秤、全体構成
１２…秤量区画
１３…扉ハンドル
１４…天秤ハウジング
１５…冷却フィン
１６…水平化脚部
１７…コネクタソケット
１８…オプションとしての予備秤量ディスプレイ
２０…天秤、本発明の第１実施形態
２１…秤量パン
２２…秤量区画
２３…天秤ハウジング
２４…秤量セル区画
２５…電子機器区画
２７…熱電ヒートポンプモジュール、ペルチェモジュール、ペルチェ素子
２８…熱流コントローラ
２９…境界層
３０…天秤、本発明の第２実施形態
３１，３２…温度センサ
３１’，３２’…熱電対接点
３３…第１の内壁
３４…介在空間
３５…第２の内壁
３６…冷却フィン
３７…断熱材
３８…第３の内壁
３９…第４の内壁
４０…天秤、本発明の第３実施形態
４１…秤量電子機器室
４２…デジタル電子機器室
Ｐ_ｎｅｔ…区画２４から区画２５へ向かう正味の熱流
Ｐ_Ａ…ヒートポンプモジュールによって運ばれるアクティブ熱流
Ｐ_Ｏ…冷却フィンを通って外部に至る熱流
Ｐ_Ｉ…断熱材３７を通る熱流
Ｒ_ｔｈ…２９の熱抵抗
Ｔ_１，Ｔ_２…３１，３２によってそれぞれ測定される温度
ΔＴ_Ｉ…断熱材３７の前後の温度差
ΔＴ…３１’，３２’によって測定される温度差

Claims (11)

1. 天秤（１０；２０；３０；４０）であって、
   秤量区画（１２；２２）内に収容される秤量パン（２１）と、前記秤量区画（１２；２２）に隣接する天秤ハウジング（１４；２３）と、を有する単一ユニットとして構成され、
   前記天秤ハウジング（１４；２３）は、秤量セルを取り囲む秤量セル区画（２４）と、電気回路素子および電子回路素子を収容する電子機器区画（２５）と、熱電ヒートポンプモジュール（２７）と、熱流コントローラ（２８）と、を収容し、
   前記天秤（１０；２０；３０；４０）は、
   前記秤量セル区画（２４）から前記電子機器区画（２５）へ向かう方向の、前記天秤ハウジング（１４；２３）の内部の正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を決定する手段と、
   前記熱流コントローラ（２８）に利用可能な前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を制御入力として生成する手段と
   を備え、
   前記熱電ヒートポンプモジュール（２７）は、
   前記天秤ハウジング（１４；２３）の内部に配置され、
   前記制御入力に基づいて前記熱流コントローラ（２８）によって調節され、前記秤量セル区画（２４）の内部に生じる熱放散の速度と実質的に等しいレベルに前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を保持する大きさおよび方向のアクティブ熱流（Ｐ_Ａ）を発生させる
   天秤。
2. 請求項１に記載の天秤（１０；２０；３０；４０）であって、
   前記熱電ヒートポンプモジュール（２７）は、第１の側と第２の側とを有するとともにヒートポンプモードで動作するペルチェモジュール（２７）であり、
   前記熱流コントローラ（２８）は、前記ペルチェモジュール（２７）を通る電流を送るように動作可能であり、前記ペルチェモジュール（２７）に前記第１の側から熱を取り除かせ、前記第２の側に熱を発生させ、それによって、前記第１の側から前記第２の側へ向かう前記アクティブ熱流（Ｐ_Ａ）を発生させ、
   前記天秤ハウジング（２３）は、前記秤量セル区画（２４）から前記電子機器区画（２５）へ向かう方向に、第１の内壁（３３）、介在空間および第２の内壁（３５）を順次、収容し、
   前記ペルチェモジュール（２７）は、前記第１の側が前記第１の内壁（３３）に熱的に接続されるとともに、前記第２の側が前記第２の内壁（３５）に熱的に接続された状態で、前記介在空間に配置され、
   前記ペルチェモジュール（２７）を取り囲む残りの介在空間（３４）は、断熱材（３４）で満たされ、
   前記前記秤量セル区画から前記電子機器区画へ向かう方向の、前記天秤ハウジング（１４；２３）の内部の前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）は、アクティブ熱流（Ｐ_Ａ）から、前記電子機器区画から前記秤量セル区画へ向かう方向の、前記断熱材（３４）を通るパッシブ熱流（Ｐ_Ｉ）を差し引いたものであり、すなわち、Ｐ_ｎｅｔ＝Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｉである
   天秤
3. 請求項２に記載の天秤（２０）であって、
   前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を決定する手段は、前記ヒートポンプモードから熱電発電器モードへ一時的に切り替えられた前記ペルチェモジュール（２７）を備え、
   前記熱電発電器モードにおいて、前記断熱材（３７）の前後において前記第１の内壁（３３）と前記第２の内壁（３５）との間で温度差（ΔＴ_Ｉ）が存在する場合に、前記ペルチェモジュール（２７）は、比例関係ΔＴ_Ｉ＝ｋ_２・Ｕ_{ｓｅｅｂｅｃｋ}にしたがった前記温度差（ΔＴ_Ｉ）を表す電圧信号（Ｕ_{ｓｅｅｂｅｃｋ}）を発生させ、
   前記熱流コントローラ（２８）は、前記電圧信号（Ｕ_{ｓｅｅｂｅｃｋ}）を受け取って、さらなる比例関係Ｐ_Ｉ＝ｋ_１・ｋ_２・Ｕ_{ｓｅｅｂｅｃｋ}にしたがって前記パッシブ熱流（Ｐ_Ｉ）を計算して、前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ＝Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｉ）を決定するように動作可能である
   天秤。
4. 請求項２に記載の天秤（３０）であって、
   前記天秤ハウジング（２３）は、さらに、前記秤量セル区画（２４）に隣接する第３の内壁（３８）と、前記第３の内壁（３８）と前記第１の内壁（３３）との間に配置された熱抵抗（Ｒ_ｔｈ）の断熱材の境界層（２９）と、を収容し、
   前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を決定する手段は、前記第３の内壁（３８）および前記第１の内壁（３３）にそれぞれ配置された一対の温度センサを備え、
   前記一対の温度センサは、少なくとも１つの温度信号を前記熱流コントローラ（２８）に送信するように動作可能であり、それに基づいて、前記熱流コントローラ（２８）は、前記境界層（２９）を通る前記熱流を計算し、該熱流は、前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を表す
   天秤。
5. 請求項４に記載の天秤（３０）であって、
   前記一対の温度センサは、前記第３の内壁（３８）の第１の温度（Ｔ_１）を測定するように動作可能な第１の温度センサ（３１）と、前記第１の内壁（３３）の第２の温度（Ｔ_２）を測定するように動作可能な第２の温度センサ（３３）と、を備え、
   前記第１の温度センサ（３１）および前記第２の温度センサ（３２）は、前記熱流コントローラ（２８）に温度信号（Ｔ_１，Ｔ_２）を送信するように動作可能であり、
   前記熱流コントローラ（２８）は、
   

   

   にしたがって前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を計算する
   天秤。
6. 請求項４に記載の天秤（３０）であって、
   前記一対の温度センサは、非直列に接続された一対の熱電対を備え、
   前記一対の熱電対の接点（３１’，３２’）は、前記第３の内壁（３８）および第１の内壁（３３）にそれぞれ配置され、
   前記熱電対の対は、前記第３の内壁（３８）の第１の温度（Ｔ_１）と前記第１の内壁（３３）の第２の温度（Ｔ_２）との温度差（ΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２）を測定するように動作可能であるとともに、温度差信号（ΔＴ）を前記熱流コントローラ（２８）に送信するように動作可能であり、
   前記熱流コントローラ（２８）は、
   

   

   にしたがって前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を計算する
   天秤。
7. 請求項４に記載の天秤（３０）であって、
   前記天秤（３０）は、さらに、熱電発電器として動作する第２のペルチェモジュールを備え、
   前記ペルチェモジュールは、前記第３の内壁（３８）の第１の温度（Ｔ_１）と前記第１の内壁（３３）の第２の温度（Ｔ_２）との温度差（ΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２）を測定するように動作可能であるとともに、温度差信号（ΔＴ）を前記熱流コントローラ（２８）に送信するように動作可能であり、
   前記熱流コントローラ（２８）は、
   

   

   にしたがって前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を計算する
   天秤。
8. 請求項２に記載の天秤（４０）であって、
   前記電子機器区画（２５）は、温度感知主アナログ電子回路を収容する秤量電子機器室（４０）と、主デジタル回路とほとんど温度感知しない他の電力回路とを収容するデジタル電子機器室（４１）と、に分割される
   天秤。
9. 請求項８に記載の天秤（４０）であって、
   前記天秤ハウジング（２３）は、さらに、前記秤量セル区画（２４）から前記電子機器区画（２５）に向けて互いに順次隣接する、前記秤量セル区画（２４）に隣接する第３の内壁（３８）、熱抵抗（Ｒ_ｔｈ）の断熱材の境界層（２９）、第４の内壁（３９）、および、前記第４の内壁（３９）と前記第１の内壁（３３）との間の前記秤量電子機器室（４０）を収容し、
   前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を決定する手段は、前記第３の内壁（３８）および前記第４の内壁（３９）にそれぞれ配置される一対の温度センサを備え、
   前記一対の温度センサは、前記熱流コントローラ（２８）に少なくとも１つの温度信号を送信するように動作可能であり、それに基づいて、前記熱流コントローラ（２８）は、前記境界層（２９）を通る前記熱流を計算し、該熱流は、前記秤量セル区画から出る前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を表す
   天秤。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の天秤（１０；２０；３０；４０）であって、
    熱を放散する追加的な電子機器要素が、前記秤量セル区画（２４）内に組み入れられるか、該秤量セル区画（２４）に取り付けられており、限定はされないが、予備ディスプレイパネル（１８）および／または電子レベル外感知デバイスを備え、
    必要に応じて前記正味の熱流（Ｐ_ｎｅｔ）を調節して前記追加的な電子機器要素に起因して増加した熱量を取り除くために、前記追加的な電子機器要素からの熱放散速度が、計算および／または測定されて、追加的な入力として前記熱流コントローラ（２８）に送信される
    天秤。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の天秤（１０；２０；３０；４０）であって、
    前記天秤ハウジングは、前記天秤の周囲雰囲気にさらされる冷却フィンを支持する外壁部分を備える
    天秤。

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