JP3403716B2 - 温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷に供給される
熱媒体の温度や、負荷自体の温度を、所定の温度に調整
する温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルや半導体を生産するプロセス
においては、温度制御を行うことが必須条件であり、種
々の温度制御装置が使用されている。温度制御装置のな
かには、ブライン供給装置を利用したものがある。この
種のブライン供給装置は、液晶パネルなどの負荷として
のワークが配置される負荷回路に、温度を調整した熱媒
体つまりブラインを供給し、ワークの温度を設定温度に
維持している。

【０００３】例えば、特開平１１−１８３００５号公報
には、ブラインの温度を所定の温度に調整する一次回路
と、ワークに供給されるブラインを目標温度に調整する
二次回路と、一次回路から二次回路に混合されるブライ
ンの流量を調整するバルブと、を有するブライン供給装
置が示されている。この装置では、ワークの温度が設定
温度よりも上昇した場合には、バルブが開かれ、温度の
低い一次回路のブラインが、所定の流量だけ、二次回路
のブラインに混合される。これにより、ワークに供給さ
れるブラインの温度を下げ、ワークの温度を設定温度に
まで下げている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】温度制御のために、制
御対象である例えば上記のようなバルブを操作する場合
には、ＰＩＤ制御や、２つのＰＩＤ制御を組み合わせた
カスケード制御が広く採用されている。ＰＩＤ制御によ
って良好な制御結果を得るためには、Ｐ（比例帯）、Ｉ
（積分時間）、Ｄ（微分時間）の各パラメータ（ＰＩＤ
定数）を最適値にチューニングする必要がある。ＰＩＤ
定数は、装置を試運転しながら、トライアンドエラーに
より決定される。

【０００５】バルブの作動を制御する場合、ＰＩＤ演算
された操作量の変化量ΔＭＶと、温度の変化量ΔＰＶと
は、通常、比例しない。このため、制御すべき温度範囲
において、１セットのＰＩＤ定数のみでは、良好な制御
結果を得ることができない。したがって、制御すべき温
度範囲を複数個に分割し、分割された温度範囲ごとにＰ
ＩＤ定数が決定されている。複数セットのＰＩＤ定数を
決定するのに伴ない、チューニング作業が煩雑になり、
長時間を要するという問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、１セットのＰＩＤ定数
のみで、温度を精度よく制御し得る温度制御装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、各請求項ごとに次のように構成される。

【０００８】（１）第１熱媒体の温度を所定の温度に調
整する一次回路と、負荷に供給される第２熱媒体を目標
温度に調整する二次回路と、第２熱媒体に混合される、
または、第２熱媒体との間で熱交換される第１熱媒体の
流量を調整する弁部材と、第２熱媒体の現在の供給温度
を検出する供給温度検出部と、第２熱媒体の目標温度、
第２熱媒体の現在の供給温度、および、予め設定された
１セットのＰＩＤ定数に基づいて、前記弁部材の操作量
を演算するＰＩＤ演算部と、前記ＰＩＤ演算部で演算さ
れた操作量を補正して補正操作量を演算する補正演算部
と、補正操作量に基づいて前記弁部材の作動を制御する
制御部と、を有し、補正操作量に基づいて前記弁部材の
作動を制御することにより、操作量の変化量を、第２熱
媒体の現在の供給温度の変化量に比例させたことを特徴
とする温度制御装置。

【０００９】特に、前記補正演算部において操作量に乗
算される補正係数ｋ（０≦ｋ≦１）は、 ｋ＝１−（Ｐｔ１−ＰＶ１）／（ＰＶ２−ＰＶ１） ここに、 ＰＶ１：第２熱媒体の使用温度の下限値 ＰＶ２：第２熱媒体の使用温度の上限値 Ｐｔ１：第２熱媒体の現在の供給温度 ｎ ：第２熱媒体の供給温度が上限値ＰＶ２であると
きの操作量を制限する定数 で定義されることを特徴とする。

【００１０】（２）第２熱媒体の目標温度（ＳＶ
（Ｓ））を設定する設定部をさらに有することを特徴と
する上記（１）に記載の温度制御装置。

【００１１】（３）負荷の現在の温度を検出する負荷温
度検出部と、負荷の設定温度を設定する設定部と、負荷
の設定温度、負荷の現在の温度、および、第２熱媒体の
現在の供給温度に基づいて、第２熱媒体の目標温度を演
算する目標温度演算部と、をさらに有する上記（１）に
記載の温度制御装置。

【００１２】（４）前記負荷温度検出部は、負荷自体の
温度、負荷に接触する第２熱媒体の温度、または、負荷
を通過した第２熱媒体の戻り温度を測定することによ
り、負荷の現在の温度を検出することを特徴とする上記
（３）に記載のワーク温度制御装置。

【００１３】（５）前記一次回路は、前記弁部材を通過
する第１熱媒体の温度を、第２熱媒体の目標温度よりも
低い温度に調整する上記（１）に記載の温度制御装置。

【００１４】（６）前記二次回路は、第２熱媒体を加熱
する加熱部をさらに有する上記（１）に記載の温度制御
装置。

【００１５】（７）前記弁部材は、第１熱媒体の流量を
ゼロまたは最大にする開閉バルブ、または、第１熱媒体
の流量を連続的に変化させる流量制御バルブである上記
（１）に記載の温度制御装置。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００１７】図１は、本発明の温度制御装置を適用した
ブライン供給装置の一実施形態を示す構成図である。

【００１８】温度制御装置としてのブライン供給装置１
０は、負荷としてのワークＷが配置される負荷回路２０
に接続されている。ブライン供給装置１０は、ブライン
（第１熱媒体）の温度を所定の温度に調整する一次回路
１１と、ワークＷに供給されるブライン（第２熱媒体）
を目標温度に調整する二次回路１２と、一次回路１１と
二次回路１２とを接続する連絡通路１３と、連絡通路１
３に設けられた弁部材１４と、を含んでいる。一次回路
１１には比較的低温のブラインが循環し、二次回路１２
には比較的高温のブラインが循環する。一次回路１１中
のブラインの一部が、連絡通路１３を通って、二次回路
１２中のブラインに混合される。弁部材１４の開閉制御
により、一次回路１１から二次回路１２に混合されるブ
ラインの流量が調整され、ワークＷに供給されるブライ
ンの供給温度が調整される。温度調整されたブラインに
より、ワークＷの温度が調整される。ブライン供給装置
１０の作動は、コントローラ７０により制御される。ブ
ラインとしては、例えば、フッ素系ブライン、冷水、純
水、冷媒などが用いられ、ワークＷに応じたブラインが
選択される。

【００１９】さらに詳述すると、一次回路１１は、ブラ
インを貯留するブラインタンク４１と、ブラインを循環
する第１ポンプ４２と、熱交換器４３と、開閉弁４４
と、を含んでいる。これらの構成機器は、複数の配管４
５ａ〜４５ｄによって接続されている。ブラインタンク
４１は、蓋がされて大気が流通しないが、圧力容器とし
ての規制を受けない、いわゆる半密封構造を有する。第
１ポンプ４２は、一次回路１１でブラインを循環させれ
ばよいため、その配置位置は図示のようにブラインタン
ク４１と熱交換器４３との間に限られるものではない。
例えば熱交換器４３の出口側の配管４５ｃに配置しても
よい。ブラインは、熱交換器４３に供給される冷却材と
の間で熱交換して、冷却される。冷却されたブラインの
温度Ｐｔ４を検出する温度センサ８４が、熱交換器４３
の出口側の配管４５ｃに設けられている。本実施形態に
おけるワークＷの設定温度は比較的低温（例えば、４０
℃〜６０℃）であり、冷却材として冷媒を使用してい
る。冷却材は、冷凍機５０により冷却される。

【００２０】冷凍機５０の冷凍サイクルは、冷媒を圧縮
するコンプレッサ５１と、冷却水が流通する凝縮器５２
と、膨張弁５３と、蒸発器として機能する熱交換器４３
と、を有する。ブラインの温度Ｐｔ４は、熱交換器４３
に流入する冷媒の温度を調整することにより調整され
る。冷媒の温度は、冷凍機５０の容量を制御することに
より調整される。冷凍機５０の容量制御は、ホットガス
流量を制御することにより行われる。冷凍機５０には、
コンプレッサ５１の出口側と膨張弁５３の出口側とを連
通するホットガスバイパス配管５４と、ホットガスバイ
パス配管５４の途上に配置される容量調整弁５５および
第１電磁弁５６と、凝縮器５２の出口から膨張弁５３に
至る配管の途上に配置される第２電磁弁５７と、が設け
られている。第１、第２電磁弁５６、５７のそれぞれ
は、一方が閉のときには他方が開かれ、一方が開のとき
には他方が閉じられる。第１電磁弁５６が開かれると、
コンプレッサ５１により圧縮された比較的高温のガス状
冷媒は、容量調整弁５５およびホットガスバイパス配管
５４を通り、膨張弁５３により断熱膨張されて比較的低
温となった冷媒に混合される。膨張弁５３の出口側に流
下するホットガス流量は、容量調整弁５５の設定値およ
び第１電磁弁５６の開時間により定まる。第１、第２電
磁弁５６、５７の開閉の結果、熱交換器４３に流入する
冷媒の温度が調整され、熱交換器４３で冷却されるブラ
インが所定の温度に調節される。コントローラ７０は、
ブラインの温度Ｐｔ４が、ワークＷに供給されるブライ
ンの目標温度ＳＶ（Ｓ）よりも所定温度（例えば、８
℃）だけ低くなるように、第１、第２電磁弁５６、５７
を開閉制御する。

【００２１】なお、ブラインを冷却する冷却材は、ワー
クＷの設定温度に応じて適宜選択することができる。例
えば、ワークＷの設定温度が比較的高温の場合には、冷
却材として冷水を使用してもよい。

【００２２】二次回路１２は、ブラインを加熱する電気
ヒータ（加熱部に相当する）６１と、ブラインを循環す
る第２ポンプ６２と、負荷回路２０にブラインを供給す
る供給ポート６３と、負荷回路２０を通過したブライン
が戻される戻りポート６４と、を含んでいる。これらの
構成機器は、複数の配管６５ａ〜６５ｄによって接続さ
れている。二次回路１２は、配管６５ｄから分岐する配
管６５ｅを介して、ブラインタンク４１に接続されてい
る。一次回路１１から弁部材１４を介して二次回路１２
に混合された量に等しい量のブラインが、配管６５ｅを
介して、ブラインタンク４１に戻される。電気ヒータ６
１によりブラインを加熱して、ワークＷの温度を所望の
温度にまで迅速に高めることができる。加熱部は、電気
ヒータ６１に限られず、ブラインを加熱する機能を有す
る限りにおいて適宜選択できる。また、第２ポンプ６２
は、二次回路１２でブラインを循環させればよいため、
その配置位置は図示のようにヒータ６１で加熱されたブ
ラインを送り出す位置に限られるものではない。例え
ば、ヒータ６１の入口側の配管６５ａに配置してもよ
い。このブライン供給装置１０は、その稼動途中におい
て、ブラインの流量を変化させない形態となっている。
このため、第２ポンプ６２には、一定流量のブラインを
送り出すことが可能なタイプのポンプが使用される。但
し、ブライン供給装置１０に要求される種々のスペック
に応じるため、ブライン流量の設定値を変更できるポン
プを使用してもよい。

【００２３】連絡通路１３は、配管４５ｃと配管６５ａ
との間に設けられている。連絡通路１３に設けられた弁
部材１４は、一次回路１１と二次回路１２との間の連通
をオン−オフする電磁弁である。ワークＷに供給するブ
ラインの温度を下げる場合には、弁部材１４が開かれ、
一次回路１１を循環するブラインの一部が、連絡通路１
３を通って、ヒータ６１の入口側に導かれる。

【００２４】一次回路１１のブラインを必要に応じて二
次回路１２に導く形態では、ブライン供給装置１０に含
まれるブラインの全量を冷却する必要がなく、二次回路
１２のブラインは必要以上に冷却されない。このため、
ヒータ６１で再度加熱する際の、エネルギーロスを可及
的に低減でき、ブライン供給装置１０を効率良く運転で
きる。一次回路１１のブライン温度Ｐｔ４を目標温度Ｓ
Ｖ（Ｓ）よりも低い温度に調整しているので、ワークＷ
の温度上昇が大きいときでも、供給温度Ｐｔ１を直ぐに
低くして、ワークＷの温度を迅速に下げることができ
る。

【００２５】負荷回路２０は、製造装置、検査装置ある
いは恒温装置などに組み込まれる。例えば、負荷回路２
０は、液晶パネル用のガラス基板に薄膜を形成する成膜
装置３０に組み込まれる。この場合、ガラス基板がワー
クＷに相当する。

【００２６】負荷回路２０は、供給ポート６３に接続さ
れる入口配管２１と、ワークＷが収納されるチャンバ２
２と、戻りポート６４に接続される出口配管２３と、を
有する。ワークＷは、プレート２４の上にマウントされ
る。チャンバ２２に供給されたブラインによりプレート
２４が加熱／冷却され、ワーク温度が設定温度に調整さ
れる。

【００２７】負荷回路２０にはさらに、ワークＷに熱負
荷を加えるプロセス側の外部熱源３１が設けられてい
る。外部熱源３１は、例えば、電気ヒータ３２から構成
され、電源３３から所定の電流・電圧が印加される。ワ
ークＷは、電気ヒータ３２で発生したジュール熱が加え
られ、温度が上昇する。なお、「プロセス側の外部熱源
３１」とは、製造や検査などを行うときに、ワークＷに
熱を加える機能を有する装置の総称であり、電気ヒータ
３２に限定されるものではない。

【００２８】配管６５ｃには、負荷Ｗに供給されるブラ
インの現在の供給温度Ｐｔ１を検出する供給温度センサ
８１が設けられている。負荷回路２０には、ワークＷの
現在の温度Ｐｔ２を検出するワーク温度センサ８２が設
けられている。供給温度センサ８１が供給温度検出部に
相当し、ワーク温度センサ８２が負荷温度検出部に相当
する。温度センサ８１、８２、８４は、測温抵抗体や熱
電対などから構成されている。プレート２４の温度はワ
ーク温度Ｐｔ２にほぼ等しいことから、図示例では、プ
レート２４の温度を測定することにより、ワーク温度Ｐ
ｔ２を検出している。

【００２９】図２は、ブライン供給装置１０の作動を制
御するコントローラ７０の構成を示すブロック図であ
る。

【００３０】制御部としてのＣＰＵ７１には、各温度セ
ンサ８１、８２、８４が接続され、ブライン供給温度Ｐ
ｔ１、ワーク温度Ｐｔ２、一次回路１１のブライン温度
Ｐｔ４の各検出信号が入力される。ＣＰＵ７１にはさら
に、設定部７２と、目標温度演算部７３と、ＰＩＤ演算
部７４と、補正演算部７５と、ＲＯＭ７６と、ＲＡＭ７
７と、タイマ７８とが接続される。設定部７２は、例え
ばテンキーなどの入力装置から構成され、ワークＷの設
定温度ＳＶ（Ｒ）を設定する。目標温度演算部７３は、
ワーク設定温度ＳＶ（Ｒ）、ワーク温度Ｐｔ２、およ
び、ブライン供給温度Ｐｔ１に基づいて、ワークＷに供
給するブラインの目標温度ＳＶ（Ｓ）を演算する。ＰＩ
Ｄ演算部７４は、ブラインの目標温度ＳＶ（Ｓ）、ブラ
イン供給温度Ｐｔ１、および、予め設定された１セット
のＰＩＤ定数（Ｐ、ＩおよびＤ）に基づいて、電磁弁１
４用の操作量ＭＶをＰＩＤ演算する。ＰＩＤ演算部７４
はまた、電気ヒータ６１用のＰＩＤ定数に基づいて、電
気ヒータ６１用の操作量ｍｖをＰＩＤ演算する。補正演
算部７５は、ＰＩＤ演算部７４で演算された操作量ＭＶ
を補正して、補正操作量ＭＶ’を演算する。そして、Ｃ
ＰＵ７１は、補正操作量ＭＶ’を電磁弁１４に出力し、
電磁弁１４の作動を制御する。ＣＰＵ７１は、操作量ｍ
ｖを電気ヒータ６１のＳＳＲ（ソリッドステートリレ
ー）などのスイッチング素子に出力し、電気ヒータ６１
の作動を制御する。ＣＰＵ７１は、冷凍機５０の容量制
御のために、第１、第２電磁弁５６、５７に制御信号を
出力する。ＲＯＭ７６には、操作量ＭＶに乗算される補
正係数の関係式の他、ブライン供給装置１０の動作を制
御するのに必要な各種パラメータやプログラムなどが記
憶される。また、ＲＡＭ７７には、ＰＩＤ演算に必要な
ＰＩＤ定数などが記憶される。

【００３１】また、ＣＰＵ７１には、プロセス側の電源
３３が接続され、電源３３から電気ヒータ３２への電力
供給に応じたオン、オフ信号や、電気ヒータ３２に供給
した電力の出力値信号が入力される。

【００３２】ＰＩＤ定数は、ブライン供給装置１０の性
能や、成膜装置３０の仕様などに基づき、シミュレーシ
ョンにより求められる。ブライン供給装置１０を工場か
ら出荷するときには、求めたＰＩＤ定数が設定される。
但し、ブライン供給装置１０および成膜装置３０の全体
の動特性を正確にシミュレーションすることは事実上不
可能である。このため、最終的なＰＩＤ定数は、ブライ
ン供給装置１０および成膜装置３０の全体の試運転を行
いながら、トライアンドエラーにより決定される。決定
されたＰＩＤ定数は、ＲＡＭ７７に記憶される。

【００３３】図３は、電磁弁１４の操作量ＭＶに乗算さ
れる補正係数ｋ（０≦ｋ≦１）と、ブライン供給温度Ｐ
ｔ１との関係を示すグラフである。

【００３４】図示するように、補正係数ｋは、ブライン
供給温度Ｐｔ１に反比例する。補正係数ｋは、次式によ
り定義される。

【００３５】ｋ＝１−（Ｐｔ１−ＰＶ１）（１−ｎ）／
（ＰＶ２−ＰＶ１） ここに、 ＰＶ１：ブラインの使用温度の下限値 ＰＶ２：ブラインの使用温度の上限値 Ｐｔ１：ブラインの現在の供給温度 ｎ ：ブラインの供給温度が上限値ＰＶ２であるとき
の操作量ＭＶを制限する定数 である。

【００３６】下限値ＰＶ１はワークＷの下限温度から定
まり、上限値ＰＶ２はワークＷの上限温度から定まる。
ワークＷの下限温度および上限温度は、成膜装置３０の
仕様の一つである。ワークＷの下限温度から上限温度ま
での温度範囲で、ワークの温度を制御できなければなら
ない。したがって、冷凍機５０の冷却能力は、ブライン
の循環流量、ワークＷの下限温度、負荷回路２０での発
熱量などに基づいて決定され、電気ヒータ６１の加熱能
力は、ブラインの循環流量、ワークＷの上限温度などに
基づいて決定される。

【００３７】ブライン供給温度Ｐｔ１が下限値ＰＶ１で
あるときは（Ｐｔ１＝ＰＶ１）、補正係数ｋは「１」に
セットされ、ＰＩＤ演算された電磁弁１４の操作量ＭＶ
と、補正後の補正操作量ＭＶ’とは等しい。一方、ブラ
イン供給温度Ｐｔ１が上限値ＰＶ２であるときは（Ｐｔ
１＝ＰＶ２）、補正係数ｋは、ｋ＝１−（１−ｎ）＝ｎ
より、「ｎ」にセットされる。この「ｎ」は、ブライン
の供給温度Ｐｔ１が上限値ＰＶ２であるときに、電磁弁
１４の開作動時間を制限するための値である。

【００３８】「ｎ」の値の決定について、数値を例示し
ながら説明する。説明の簡略化のためにブラインを水と
する。下限値ＰＶ１を１０℃、上限値ＰＶ２を９０℃と
する。一次回路１１の水温Ｐｔ４を０℃に固定し、この
ときの冷凍機５０の冷却能力を１５００ｋｃａｌ／ｈｒ
とする。負荷回路２０での発熱量を１５００ｋｃａｌ／
ｈｒ、第２ポンプ６２によりワークＷに供給される水の
流量を１０リットル／ｍｉｎとする。また、電磁弁１４
を通って二次回路１２に混合される水の流量をｘリット
ル／ｍｉｎ、配管６５ｄから配管６５ｅを通ってタンク
４１に戻される水の流量をｘリットル／ｍｉｎ、配管６
５ｄから配管６５ａに戻ってくる水の流量をｙ（＝１０
−ｘ）リットル／ｍｉｎとする。

【００３９】ワークＷを通過した水の温度上昇は、１５
００［ｋｃａｌ／ｈｒ］／（６０［ｍｉｎ／ｈｒ］×１
０［リットル／ｍｉｎ］×１［ｋｃａｌ／（リットル・
℃）］）＝２．５［℃］である。

【００４０】水の使用温度が下限値ＰＶ１の１０℃であ
るとき、水温を１０℃にするために必要な０℃の水の流
量ｘは、ｘ［リットル／ｍｉｎ］×０［℃］＋ｙ［リッ
トル／ｍｉｎ］×（１０＋２．５）［℃］＝１０［リッ
トル／ｍｉｎ］×１０［℃］より、ｘ＝２［リットル／
ｍｉｎ］となる。

【００４１】電磁弁１４用のＰＩＤ定数（Ｐ、Ｉおよび
Ｄ）は、ブラインの使用温度の下限値ＰＶ１を基準にし
て決定されている。具体的には、電磁弁１４用のＰＩＤ
定数は、ブラインの使用温度が下限値ＰＶ１であるとき
に、電磁弁１４の操作量ＭＶが１００％（全開）とな
り、冷凍機５０が定格運転で作動するように決定されて
いる。上記の数値例では、水の使用温度が下限値ＰＶ１
の１０℃であるときに、電磁弁１４は、１００％の操作
量ＭＶが加えられ、全開となる。このときに水が２リッ
トル／ｍｉｎで流れるように、連絡通路１３および電磁
弁１４の仕様（例えば、口径）が定められる。

【００４２】一方、水の使用温度が上限値ＰＶ２の９０
℃であるとき、水温を９０℃にするために必要な０℃の
水の流量ｘは、ｘ［リットル／ｍｉｎ］×０［℃］＋ｙ
［リットル／ｍｉｎ］×（９０＋２．５）［℃］＝１０
［リットル／ｍｉｎ］×９０［℃］より、ｘ＝０．２７
［リットル／ｍｉｎ］となる。

【００４３】電磁弁１４の操作量ＭＶが０．２７［リッ
トル／ｍｉｎ］×１００［％］／２［リットル／ｍｉ
ｎ］＝１３．５［％］と演算されたならば、上記の流量
を実現することができる。具体的には、水の使用温度が
下限値ＰＶ１であるときの比例帯Ｐの値に対して、１／
０．１３５＝７．４倍の比例帯Ｐの値を使用すれば、上
記の流量を実現することができる。

【００４４】しかしながら、水の使用温度が１０℃であ
るときを基準に決定した１セットのＰＩＤ定数を使用す
るため、水の使用温度が９０℃であるときの操作量ＭＶ
は１３．５％にならず、１００％になる。これでは、０
℃の水の流量が多すぎるため、ワークＷに供給される水
温を目標温度の９０℃に制御することができない。この
ため、電気ヒータ６１による加熱量が増加し、エネルギ
ーのロスになる。しかも、９２．５℃の多量の水がタン
ク４１に戻るため、冷凍機５０のコンプレッサ５１がオ
ーバーロードする結果となる。

【００４５】そこで、供給温度Ｐｔ１が上限値ＰＶ２で
あるときの操作量ＭＶを制限するために、「ｎ」に、
０．２７［リットル／ｍｉｎ］／２［リットル／ｍｉ
ｎ］＝０．１３５をセットする。

【００４６】このようにして「ｎ」の値を決定すると、
次のように温度制御がなされる。供給温度Ｐｔ１が下限
値ＰＶ１の１０℃であるときは（Ｐｔ１＝ＰＶ１）、補
正係数ｋ＝１−（Ｐｔ１−ＰＶ１）（１−０．１３５）
／（ＰＶ２−ＰＶ１）＝１となる。このため、操作量Ｍ
Ｖが１００％であると演算されれば、電磁弁１４に実際
に加えられる補正操作量ＭＶ’も１００［％］×ｋ＝１
００［％］であるので、２リットル／ｍｉｎの水が電磁
弁１４を流れ、水温が１０℃に制御される。また、冷凍
機５０は、定格の１５００ｋｃａｌ／ｈｒの冷却能力を
発揮する。

【００４７】供給温度Ｐｔ１が上限値ＰＶ２の９０℃で
あるときは（Ｐｔ１＝ＰＶ２）、補正係数ｋ＝１−（Ｐ
ｔ１−ＰＶ１）（１−０．１３５）／（ＰＶ２−ＰＶ
１）＝０．１３５となる。このため、操作量ＭＶが１０
０％であると演算されても、電磁弁１４に実際に加えら
れる補正操作量ＭＶ’は１００［％］×ｋ＝１３．５
［％］であるので、０．２７リットル／ｍｉｎの水が電
磁弁１４を流れ、水温が９０℃に制御される。また、冷
凍機５０は、オーバーロードすることなく、定格の１５
００ｋｃａｌ／ｈｒの冷却能力を発揮する。

【００４８】上記のように、操作量ＭＶに補正係数ｋを
乗算した補正操作量ＭＶ’で電磁弁１４を制御すること
により、操作量ＭＶの変化量ΔＭＶが、水の供給温度Ｐ
ｔ１の変化量ΔＰＶに比例する。換言すれば、１セット
のＰＩＤ定数のみで、１０℃〜９０℃の温度範囲内にお
いて、水の供給温度Ｐｔ１を所望の温度に調整できる。
また、操作量ＭＶが１００％のときには、冷凍機５０の
冷却能力は、１０℃〜９０℃の温度範囲内においては水
温に関係なく、一定の１５００ｋｃａｌ／ｈｒになる。
したがって、冷凍機５０のオーバーロードを防止できる
という効果も奏する。

【００４９】本実施形態では、コントローラ７０は、Ｐ
ＩＤ演算された操作量ＭＶに補正係数ｋを乗算した補正
操作量ＭＶ’により、電磁弁１４の作動を制御する。こ
の制御により、操作量ＭＶの変化量ΔＭＶが、ブライン
供給温度Ｐｔ１の変化量ΔＰＶに比例する。このこと
は、ブラインの使用温度の下限値ＰＶ１から上限値ＰＶ
２までの温度範囲内において、１セットのＰＩＤ定数の
みで、ブライン供給温度Ｐｔ１を所望の温度に調整でき
ることを意味する。

【００５０】なお、電気ヒータ６１の操作量ｍｖを補正
しない理由は、電気ヒータの場合には、操作量ｍｖの変
化量Δｍｖと、電気ヒータ６１を通過したブライン温度
の変化量とが、温度に関係なく、ほぼ比例関係にあるか
らである。もちろん、電磁弁１４の場合と同じように、
操作量ｍｖに補正係数を乗算した補正操作量で電気ヒー
タ６１の作動を制御してもよい。

【００５１】ところで、ブラインの目標温度が一定であ
る定値制御を適用すると、本実施形態では、ワークＷに
よっては時定数が１時間以上になるケースが多く、事実
上使用できない。このように時定数が大きい系の場合に
は、カスケード制御が一般に採用されている。カスケー
ド制御は、目標値が時間とともに変わる追値制御の一つ
である。

【００５２】カスケード制御のためには、ワーク温度を
設定値とする第１温度調節器と、ブラインの供給温度を
制御する第２温度調節器との２台の温度調節器が必要で
ある。第１温度調節器の設定値は固定されている。第１
温度調節器は、固定された設定値とワーク温度との偏差
に基づいてＰＩＤ演算し、操作量を出力する。一方、第
２温度調節器は、第１温度調節器から出力された操作量
が設定値として入力され、ＰＩＤ演算して操作量を出力
する。このようにカスケード制御では、２台の温度調節
器によるＰＩＤ演算を使用する方式であるため、各温度
調節器に１セットのＰＩＤ定数を設定しただけでは、ブ
ライン供給温度を精度よく制御することはできない。こ
のため、ブラインの使用温度範囲を例えば８個に分割
し、分割された温度範囲ごとに、各温度調節器のＰＩＤ
定数を決定しなければならない。そして、ワークの設定
温度に応じて、各温度調節器のＰＩＤ定数を変更しなけ
ればならない。

【００５３】しかしながら、ユーザは、ＰＩＤ定数を容
易に変更することはできない。このため、ワークＷに対
して加熱および冷却が繰り返され、その都度、設定温度
を大きくかつ頻繁に変更しなければならないブライン供
給装置に、カスケード制御を採用することは事実上でき
ない。さらに、上述したように、最終的なＰＩＤ定数は
トライアンドエラーにより決定しなければならないの
で、温度制御の精度を高めるためにＰＩＤ定数のセット
数を増やせば増やすほど、決定作業は煩雑になり長時間
を要することになる。

【００５４】これに対し、本実施形態のブライン供給装
置１０は、上述したように、ブラインの使用温度の下限
値ＰＶ１から上限値ＰＶ２までの温度範囲を、１セット
のＰＩＤ定数のみでカバーすることできる。したがっ
て、ワークＷの設定温度が大きくかつ頻繁に変更される
場合に適用して好適な制御となる。また、１セットのＰ
ＩＤ定数のみを決定すればよいため、決定作業を比較的
簡単、かつ、短時間で行うことが可能となる。

【００５５】次に、図４および図５に示すフローチャー
トを参照しつつ、本実施形態の作用を説明する。図６
は、本実施形態による温度変化例を概念的に示す図であ
る。

【００５６】コントローラ７０は、ブライン供給装置１
０の電源がオンされると（Ｓ１１）、ユーザによるワー
ク設定温度ＳＶ（Ｒ）の入力を受け付ける（Ｓ１２）。
ワーク設定温度ＳＶ（Ｒ）がセットされ、運転スイッチ
が押下されると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、第１、第２ポンプ
４２、６２が始動する（Ｓ１４）。ブラインは、各ポン
プ４２、６２により、一定流量で、一次回路１１および
二次回路１２内を流れる。また、コントローラ７０は、
コンプレッサ５１をモータ駆動して冷凍機５０を運転し
（Ｓ１５）、電気ヒータ６１をオンする（Ｓ１６）。

【００５７】供給温度センサ８１によりブライン供給温
度Ｐｔ１を検出し、ワーク温度センサ８２ワーク温度Ｐ
ｔ２を検出する（Ｓ１７）。

【００５８】コントローラ７０は、ワーク設定温度ＳＶ
（Ｒ）とワーク温度Ｐｔ２との偏差ｄｔ＝ＳＶ（Ｒ）−
Ｐｔ２を演算する（Ｓ１８）。コントローラ７０は、ブ
ラインの目標温度ＳＶ（Ｓ）の初期値を、ＳＶ（Ｓ）＝
Ｐｔ１＋ｄｔ＝Ｐｔ１＋（ＳＶ（Ｒ）−Ｐｔ２）より、
決定する（Ｓ１９）。

【００５９】コントローラ７０は、冷凍機５０の容量制
御のために、第１、第２電磁弁５６、５７を開閉制御
し、ホットガス流量を制御する（Ｓ２０）。熱交換器４
３出口側のブライン温度Ｐｔ４は、目標温度ＳＶ（Ｓ）
よりも所定温度（例えば、８℃）だけ低い温度に調整さ
れる。

【００６０】図５を参照して、コントローラ７０は、ブ
ライン目標温度ＳＶ（Ｓ）、ブライン供給温度Ｐｔ１、
および、電磁弁１４用の１セットのＰＩＤ定数に基づい
て、電磁弁１４の操作量ＭＶをＰＩＤ演算する（Ｓ２
１）。コントローラ７０はまた、電気ヒータ６１用のＰ
ＩＤ定数に基づいて、電気ヒータ６１の操作量ｍｖもＰ
ＩＤ演算する（Ｓ２１）。

【００６１】次いで、コントローラ７０は、電磁弁１４
の操作量ＭＶに補正係数ｋを乗算し、補正操作量ＭＶ’
を演算する（Ｓ２２）。この補正操作量ＭＶ’が電磁弁
１４に出力され、電磁弁１４が開閉制御される（Ｓ２
３）。コントローラ７０は、電気ヒータ６１の操作量ｍ
ｖを補正しない。この操作量ｍｖが電気ヒータ６１に出
力され、電気ヒータ６１の作動が制御される（Ｓ２
４）。

【００６２】次いで、コントローラ７０は、ブライン供
給温度Ｐｔ１が目標温度ＳＶ（Ｓ）に到達したか否かを
判断する（Ｓ２５）。具体的には、ＳＶ（Ｓ）−Ｐｔ１
の絶対値が、許容誤差αより小さいか否かが判断され
る。許容誤差αは、例えば、０．１〜０．２℃である。

【００６３】到達していない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、コ
ントローラ７０は、ブライン供給装置１０の運転が継続
されているか否かを判断する（Ｓ３０）。運転継続中の
ときには（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ２０〜Ｓ２５
が繰り返され、運転が中止されたときには（Ｓ３０：Ｎ
Ｏ）、処理が終了する。

【００６４】ブライン供給温度Ｐｔ１が目標温度ＳＶ
（Ｓ）に調整されている場合には（Ｓ２５：ＹＥＳ）、
コントローラ７０は、ワーク温度Ｐｔ２がワーク設定温
度ＳＶ（Ｒ）に到達したか否かを判断する（Ｓ２６）。
具体的には、ＳＶ（Ｒ）−Ｐｔ２の絶対値が、許容誤差
βより小さいか否かが判断される。許容誤差βは、例え
ば、０．１〜０．２℃である。

【００６５】到達している場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、コ
ントローラ７０は、現在のブラインの目標温度ＳＶ
（Ｓ）を維持したまま、ブライン供給装置１０の運転が
継続されているか否かを判断する（Ｓ３０）。運転継続
中のときには（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ２０〜Ｓ
２６が繰り返され、運転が中止されたときには（Ｓ３
０：ＮＯ）、処理が終了する。

【００６６】ワーク温度Ｐｔ２がワーク設定温度ＳＶ
（Ｒ）に調整されていない場合には（Ｓ２６：ＮＯ）、
ワーク温度Ｐｔ２がワーク設定温度ＳＶ（Ｒ）よりも低
いか否かを判断する（Ｓ２７）。

【００６７】ワーク温度Ｐｔ２がワーク設定温度ＳＶ
（Ｒ）よりも高い場合には（Ｓ２７：ＮＯ）、ブライン
の目標温度ＳＶ（Ｓ）を、例えば０．１℃低い温度にセ
ットし直す（Ｓ２８）。逆に、ワーク温度Ｐｔ２がワー
ク設定温度ＳＶ（Ｒ）よりも低い場合には（Ｓ２７：Ｙ
ＥＳ）、ブラインの目標温度ＳＶ（Ｓ）を、例えば０．
１℃高い温度にセットし直す。その後、処理はステップ
Ｓ３０に進み、ブライン供給装置１０の運転が継続され
ているときには（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ２０〜
Ｓ２９が繰り返され、運転が中止されたときには（Ｓ３
０：ＮＯ）、処理が終了する。

【００６８】本実施形態によれば、ブライン循環量を変
化させることなく、温度情報のみでワーク温度を制御し
ているため、ブラインとワークＷとの間の熱交換量が急
激に変化することがない。したがって、ワーク温度にハ
ンチング現象が生じにくく、ワークＷを設定温度に調整
する制御の安定性を高めることができる。例えば、温度
変化±０．５℃の高精度に、ワークＷの温度を制御でき
た。

【００６９】さらに、ＰＩＤ演算された操作量ＭＶに補
正係数ｋを乗算した補正操作量ＭＶ’で電磁弁１４を開
閉制御している。この制御により、操作量の変化量ΔＭ
Ｖが、ブラインの供給温度Ｐｔ１の変化量ΔＰＶに比例
する。したがって、ブラインの使用温度の下限値ＰＶ１
から上限値ＰＶ２までの広い温度範囲内において、１セ
ットのＰＩＤ定数のみで、ブラインの供給温度を所望の
目標温度に調整できる。この結果、１セットのＰＩＤ定
数のみで、ワークＷを設定温度に調整することが可能と
なる。１セットのＰＩＤ定数を決定すればよいため、そ
の決定作業が簡単になる。また、ユーザ自身が、ワーク
Ｗの設定温度を簡単に変更することができる。

【００７０】［変形例］上述した実施形態では、一次回
路１１のブラインを電磁弁１４を介して二次回路１２の
ブラインに混合しているため、第１熱媒体および第２熱
媒体は、同じ物質である。本発明はこの場合に限定され
ず、弁部材により、第２熱媒体との間で熱交換される第
１熱媒体の流量を調整する形態にも適用できる。この場
合には、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行う
熱交換器が設置され、第１熱媒体および第２熱媒体に異
なる物質を使用することができる。

【００７１】第２熱媒体の目標温度ＳＶ（Ｓ）が時間と
ともに変わる追値制御に本発明を適用した実施形態につ
いて説明したが、第２熱媒体の目標温度ＳＶ（Ｓ）が一
定である定値制御に本発明を適用してもよい。この場合
にも、ＰＩＤ定数の値を１セットだけ設定することによ
り、第２熱媒体の使用温度の下限値ＰＶ１から上限値Ｐ
Ｖ２までの広い温度範囲内のうち、固定された所望の目
標温度に、第２熱媒体の供給温度を調整できる。

【００７２】ワーク温度Ｐｔ２は、ワークＷをマウント
したプレート２４の温度をワーク温度センサ８２により
測定することにより検出しているが、ワークＷの現在温
度の検出はこの場合に限定されるものではない。図６に
示したように、ワークＷの現在温度と負荷回路２０から
戻されるブラインの戻り温度との間には、一定の相関関
係がある。したがって、図７に示すブライン供給装置１
０Ａのように、戻り温度センサ８３を戻り配管６５ｄに
設け、負荷回路２０から戻されるブラインの戻り温度Ｐ
ｔ３を測定し、この温度Ｐｔ３に基づいてワークＷの現
在温度を求めてもよい。この他にも、ワーク温度センサ
８２をワークＷに直接接触させ、ワークＷ自体の現在温
度を検出してもよい。さらに、ワークＷに接触するブラ
インの温度を測定して、ワークＷの現在温度を検出して
もよい。

【００７３】弁部材として、第１熱媒体の流量をゼロま
たは最大にする開閉バルブである電磁弁１４を例示した
が、弁部材は、第１熱媒体の流量を連続的に変化させる
流量制御バルブであってもよい。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、ＰＩＤ演算された操作量ＭＶに補正係数
ｋを乗算して補正した補正操作量ＭＶ’に基づいて弁部
材の作動を制御することにより、操作量の変化量ΔＭＶ
が、第２熱媒体の供給温度の変化量ΔＰＶに比例する。
したがって、第２熱媒体の使用温度の下限値から上限値
までの広い温度範囲内において、１セットのＰＩＤ定数
のみで、第２熱媒体の供給温度を所望の温度に調整でき
る。この結果、１セットのＰＩＤ定数のみで、負荷を設
定温度に調整することが可能となる。１セットのＰＩＤ
定数を決定すればよいため、その決定作業を簡単に行う
ことができ、ユーザ自身が、負荷の設定温度を簡単に変
更することが可能となる。

【００７５】

【００７６】請求項２に記載の発明によれば、第２熱媒
体の目標温度が一定である定値制御に適用して好適な温
度制御装置となる。

【００７７】請求項３に記載の発明によれば、第２熱媒
体の目標温度が時間とともに変わる追値制御に適用して
好適な温度制御装置となる。

【００７８】請求項４に記載の発明によれば、負荷自体
の温度、負荷に接触する第２熱媒体の温度、または、負
荷を通過した第２熱媒体の戻り温度を測定することによ
り、負荷の現在の温度を検出し、請求項１に記載の効果
を得る。

【００７９】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
に記載の効果に加えてさらに、第１熱媒体の温度を第２
熱媒体の目標温度よりも低い温度に調整しているので、
負荷の温度上昇が大きいときでも、第２熱媒体の目標温
度を直ぐに低くして、負荷の温度を迅速に下げることが
できる。

【００８０】請求項６に記載の発明によれば、請求項１
に記載の効果に加えてさらに、加熱部により第２熱媒体
を加熱して、負荷の温度を所望の温度にまで迅速に高め
ることができる。

【００８１】請求項７に記載の発明によれば、弁部材が
開閉バルブまたは流量制御バルブのいずれであっても、
請求項１に記載の効果を得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の温度制御装置を適用したブライン供
給装置の一実施形態を示す構成図である。

【図２】 ブライン供給装置の作動を制御するコントロ
ーラの構成を示すブロック図である。

【図３】 電磁弁の操作量ＭＶに乗算される補正係数ｋ
（０≦ｋ≦１）と、ブライン供給温度Ｐｔ１との関係を
示すグラフである。

【図４】 作用を説明するフローチャートである。

【図５】 作用を説明するフローチャートである。

【図６】 本実施形態による温度変化例を概念的に示す
図である。

【図７】 負荷から戻されるブラインの温度を測定して
負荷の現在温度を検出する実施形態を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１０、１０Ａ…ブライン供給装置（温度制御装置） １１…一次回路 １２…二次回路 １３…連絡通路 １４…電磁弁（弁部材、開閉バルブ） ２０…負荷回路 ３０…成膜装置 ５０…冷凍機 ６１…電気ヒータ（加熱部） ７０…コントローラ ７１…ＣＰＵ（制御部） ７３…目標温度演算部 ７４…ＰＩＤ演算部 ７５…補正演算部 ８１…供給温度センサ（供給温度検出部） ８２…ワーク温度センサ（負荷温度検出部） Ｗ…ワーク（負荷）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 23/00 - 23/32

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１熱媒体の温度を所定の温度に調整す
   る一次回路（１１）と、 負荷（Ｗ）に供給される第２熱媒体を目標温度（ＳＶ
   （Ｓ））に調整する二次回路（１２）と、 第２熱媒体に混合される、または、第２熱媒体との間で
   熱交換される第１熱媒体の流量を調整する弁部材（１
   ４）と、 第２熱媒体の現在の供給温度（Ｐｔ１）を検出する供給
   温度検出部（８１）と、 第２熱媒体の目標温度（ＳＶ（Ｓ））、第２熱媒体の現
   在の供給温度（Ｐｔ１）、および、予め設定された１セ
   ットのＰＩＤ定数に基づいて、前記弁部材（１４）の操
   作量（ＭＶ）を演算するＰＩＤ演算部（７４）と、 前記ＰＩＤ演算部（７４）で演算された操作量（ＭＶ）
   を補正して補正操作量（ＭＶ’）を演算する補正演算部
   （７５）と、 補正操作量（ＭＶ’）に基づいて前記弁部材（１４）の
   作動を制御する制御部（７１）と、を有し、前記補正演算部（７５）において操作量（ＭＶ）に乗算
   される補正係数ｋ（０≦ｋ≦１）は、 ｋ＝１−（Ｐｔ１−ＰＶ１）（１−ｎ）／（ＰＶ２−Ｐ
   Ｖ１） ここに、 ＰＶ１：第２熱媒体の使用温度の下限値 ＰＶ２：第２熱媒体の使用温度の上限値 Ｐｔ１：第２熱媒体の現在の供給温度 ｎ ：第２熱媒体の供給温度が上限値ＰＶ２であると
   きの操作量を制限する定数 で定義され、 補正操作量（ＭＶ’）に基づいて前記弁部材（１４）の
   作動を制御することにより、操作量（ＭＶ）の変化量
   （ΔＭＶ）を、第２熱媒体の現在の供給温度（Ｐｔ１）
   の変化量（ΔＰＶ）に比例させたことを特徴とする温度
   制御装置。
2. 【請求項２】 第２熱媒体の目標温度（ＳＶ（Ｓ））を
   設定する設定部（７２）をさらに有することを特徴とす
   る請求項１に記載の温度制御装置。
3. 【請求項３】 負荷の現在の温度（Ｐｔ２）を検出する
   負荷温度検出部（８２）と、 負荷の設定温度（ＳＶ（Ｒ））を設定する設定部（７
   ２）と、 負荷の設定温度（ＳＶ（Ｒ））、負荷の現在の温度（Ｐ
   ｔ２）、および、第２熱媒体の現在の供給温度（Ｐｔ
   １）に基づいて、第２熱媒体の目標温度（ＳＶ（Ｓ））
   を演算する目標温度演算部（７３）と、をさらに有する
   請求項１に記載の温度制御装置。
4. 【請求項４】 前記負荷温度検出部（８２）は、負荷
   （Ｗ）自体の温度、負荷（Ｗ）に接触する第２熱媒体の
   温度、または、負荷（Ｗ）を通過した第２熱媒体の戻り
   温度を測定することにより、負荷の現在の温度（Ｐｔ
   ２）を検出することを特徴とする請求項３に記載の温度
   制御装置。
5. 【請求項５】 前記一次回路（１１）は、前記弁部材
   （１４）を通過する第１熱媒体の温度を、第２熱媒体の
   目標温度（ＳＶ（Ｓ））よりも低い温度に調整する請求
   項１に記載の温度制御装置。
6. 【請求項６】 前記二次回路（１２）は、第２熱媒体を
   加熱する加熱部（６１）をさらに有する請求項１に記載
   の温度制御装置。
7. 【請求項７】 前記弁部材（１４）は、第１熱媒体の流
   量をゼロまたは最大にする開閉バルブ、または、第１熱
   媒体の流量を連続的に変化させる流量制御バルブである
   請求項１に記載の温度制御装置。」である。