JP4978928B2 - 温度制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、制御対象の近傍に配置される調温部に流体を循環させることで前記制御対象の温度を所望に制御する温度制御装置に関する。
図12に、この種の温度制御装置を示す。図示されるように、貯蔵タンク100内の流体は、ポンプ102によって吸入され、加熱部104側に吐出される。加熱部104は、ヒータ等を備え、調温部106に出力する流体を加熱可能となっている。調温部106を通過した流体は、冷却部108へと出力される。冷却部108では、貯蔵タンク100に出力する流体を冷却可能となっている。
こうした構成において、調温部106に供給される流体の温度を調節することで、調温部106に支持される制御対象の温度が制御される。ここで、制御対象の温度を上昇させたいときには、冷却部108において流体を冷却せず且つ、加熱部104において流体を加熱する。一方、制御対象の温度を低下させたいときには、冷却部108において流体を冷却して且つ、加熱部104では流体を加熱しない。これにより、制御対象の温度を所望に制御することができる。
なお、従来の温度制御装置としては、図12に示したもの以外にも、例えば下記特許文献1に記載されているものもある。
特開2000−89832号公報
ところで、上記温度制御装置では、制御対象の温度を所望の温度に変更するのに長時間を要する。すなわち、制御対象の温度を冷却したい場合には、加熱部104による加熱を停止するとともに冷却部108による冷却を開始する必要があるが、加熱部104による加熱の停止後であっても、余熱により加熱部104からしばらくは高温の流体が出力される。また、冷却部108による冷却を開始したとしても、流体が実際に冷却されるまでには時間を要し、また、貯蔵タンク100内の流体の温度が低下するには、更に長時間を要する。このため、調温部106内の温度を迅速に変更することができず、ひいては制御対象の温度を迅速に変更することができない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、制御対象の近傍に配置される調温部に流体を循環させることで前記制御対象の温度を所望に制御するに際し、その制御対象の温度を所望の温度に迅速に追従させることのできる温度制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
手段1記載の発明は、制御対象の近傍に配置される調温部に流体を循環させることで前記制御対象の温度を所望に制御する温度制御装置において、前記流体を加熱して前記調温部に循環させる加熱通路と、前記流体を冷却して前記調温部に循環させる冷却通路と、前記加熱通路及び前記冷却通路を通過することなく、前記流体を前記調温部に循環させるバイパス通路と、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路からこれらが合流する合流部を介して前記調温部に出力される流体の流量比を調節する調節手段とを備え、前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路の下流側であって且つ前記合流部の上流側に設けられてなることを特徴とする。
上記発明では、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路を介して調温部に出力される流量比を調節することで、調温部に出力される流体の温度を迅速に変化させることができる。特に、流量比が、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路の下流側且つ合流部の上流側にて調節されるため、流量比の調節箇所と調温部との距離を極力短縮することができ、ひいては調温部に出力される流体の温度をいっそう迅速に変化させることができる。このため、制御対象の温度を所望に制御するに際し、制御対象の温度を所望の温度に迅速に追従させることができる。
なお、上記合流部の流路面積は、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路を介して流入してきた流体の流速を極力低下させないように、極力小さくすることが望ましい。ここで、流体の流速とは、流通方向への流体の進行速度のこととする。
また、上記調節手段は、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路を介して調温部に出力される流量比を各別に調節する手段であることを特徴としてもよい。
手段2記載の発明は、制御対象の近傍に配置される調温部に流体を循環させることで前記制御対象の温度を所望に制御する温度制御装置において、前記流体を加熱して前記調温部に循環させる加熱通路と、前記流体を冷却して前記調温部に循環させる冷却通路と、前記加熱通路及び前記冷却通路を通過することなく、前記流体を前記調温部に循環させるバイパス通路と、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの下流側の流路面積を調節する調節手段とを備えることを特徴とする。
上記発明では、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路のそれぞれの下流側の流路面積を調節することで、これら加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路を介して調温部に出力される流量比を調節することができる。このため、調温部に出力される流体の温度を迅速に変化させることができる。このため、制御対象の温度を所望に制御するに際し、制御対象の温度を所望の温度に迅速に追従させることができる。
手段3記載の発明は、手段1又は2記載の発明は、前記加熱通路と前記冷却通路との間で、前記バイパス通路が共有化されてなることを特徴とする。
上記発明では、加熱通路及びバイパス通路から調温部に流体が出力される場合と、冷却通路及びバイパス通路から調温部に流体が出力される場合とで、共通のバイパス通路を用いることができる。このため、各別のバイパス通路を用いなければならない場合と比較して、温度制御装置の構造を簡素化することができる。
手段4記載の発明は、手段1〜3のいずれかに記載の発明において、前記加熱通路及び前記冷却通路の上流側には、前記調節手段を迂回して前記流体を流出させる流出通路が設けられてなることを特徴とする。
加熱通路や冷却通路から調温部への流体の流出が禁止されている場合、調節手段の下流側と上記禁止されている通路との間に温度勾配が生じる。このため、禁止が解除された直後においては、調温部へと流出する流体の温度が温度勾配の影響を受けるため、調温部の温度を所望の温度に追従させるまでに要する時間が長時間化するおそれがある。この点、上記発明では、流出通路を備えることで、流出通路の上流側における温度勾配を好適に抑制することができ、ひいては調温部の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
なお、手段4記載の発明は、前記加熱通路のうち前記調節手段よりも上流側には、その温度を検出する加熱側温度検出手段が設けられており、前記冷却通路のうち前記調節手段よりも上流側には、その温度を検出する冷却側温度検出手段が設けられていることを特徴としてもよい。この場合、上記流出通路を備えることで、加熱通路や冷却通路から調温部へと流体の流出が禁止されることに起因して上記検出手段が上記温度勾配の影響を受けることを好適に抑制することができる。
手段5記載の発明は、手段1〜4のいずれかに記載の発明において、前記調温部よりも下流側の流体を吸入して前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路へと吐出するポンプを更に備えることを特徴とする。
上記発明では、ポンプを用いて流体を循環させることができる。特に、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路よりも上流側にポンプを配置することで、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路よりも下流側且つ調温部よりも上流側に配置する場合と比較して、調節手段と調温部との間の流体の流路長を短縮することができる。このため、調節手段から出力される流体を調温部に迅速に到達させることができ、ひいては調温部の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
手段6記載の発明は、手段1〜5のいずれかに記載の発明において、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路よりも上流側であって且つ前記調温部よりも下流側には、前記流体を貯蔵する貯蔵手段が設けられており、該貯蔵手段は、温度による前記流体の体積変化を吸収する機能を有することを特徴とする。
流体の体積が温度依存性を有する場合、流体の温度変化に起因して体積が変化することで、流体の循環が妨げられるおそれがある。この点、上記発明では、貯蔵手段が体積変化を吸収する機能を有するために、流体の体積が変化した場合であれ、流体の循環を好適に維持することができる。しかも、貯蔵手段を、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路よりも上流側に配置することで、貯蔵手段を、加熱通路、冷却通路、及びバイパス通路よりも下流側であって且つ調温部よりも上流側に配置する場合と比較して、調節手段と調温部との間の流体の流路長を短縮することができる。
手段7記載の発明は、手段1〜6のいずれかに記載の発明において、前記調温部近傍の流体の温度を目標値に制御すべく、前記調節手段を操作する操作手段を更に備えることを特徴とする。
上記発明では、操作手段を備えることで、調温部の温度を所望に調節することができる。
手段8記載の発明は、手段7記載の発明において、前記操作手段は、前記調温部近傍の流体の温度を検出する出力温度検出手段による検出値を前記目標値にフィードバック制御するものであることを特徴とする。
上記発明では、フィードバック制御を行うために、検出値を目標値に高精度に追従させることができる。
手段9記載の発明は、手段8記載の発明において、前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの下流側の流路面積を調節する手段であり、前記操作手段は、前記検出値の前記目標値からの乖離度合いに基づく量を、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの流路面積操作量に変換する変換手段を備えることを特徴とする。
上記発明では、変換手段を備えることで、検出値の目標値からの乖離度合いを単一の量として定量化するのみで、この定量化された量に基づき、上記3つの通路の流路面積を調節(操作)することができる。
なお、変換手段は、検出値が目標値よりも大きい場合には、上記乖離度合いの変化に対して、冷却通路及びバイパス通路の流路面積を変化させるものであり、検出値が目標値よりも小さい場合には、上記乖離度合いの変化に対して、加熱通路及びバイパス通路の流路面積を変化させるものとすることが望ましい。
手段10記載の発明は、手段8又は9記載の発明において、前記操作手段は、前記目標値が変化してから所定期間に渡って、前記フィードバック制御に代えて、前記バイパス通路の温度を検出するバイパス温度検出手段の検出値に基づき前記調温部近傍の流体の温度を開ループ制御すべく、前記調節手段を操作することを特徴とする。
目標値が変化する際に、フィードバック制御によって検出値の温度を目標値に迅速に追従させるためには、同制御のゲインを大きくすることが要求される。そして、制御のゲインを大きくする場合、目標値の上下に検出値が変動する変動量が大きくなる。このように、フィードバック制御においては、応答性の向上と変動量の抑制とが互いにトレードオフの関係にある。この点、上記発明では、目標値が変化してから所定期間に渡ってフィードバック制御に代えて開ループ制御をするために、目標値の上下に検出値が変動する変動量を抑制するようにフィードバック制御を設定したとしても、目標値の変化時の応答性を高めることができる。
手段11記載の発明は、手段10記載の発明において、前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの下流の流路面積を調節する手段であり、前記操作手段は、前記目標値が変化するとき、前記バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも高い場合には前記バイパス通路及び前記冷却通路の流路面積を操作することで、前記調温部の温度を目標値に開ループ制御し、前記バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも低い場合には前記バイパス通路及び前記加熱通路の流路面積を操作することで、前記調温部の温度を目標値に開ループ制御することを特徴とする。
上記発明では、バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも高い場合には前記バイパス通路及び前記冷却通路の流路面積を操作することで、加熱通路をも用いる場合と比較して、エネルギ消費量を低減することができる。また、バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも低い場合には前記バイパス通路及び前記加熱通路の流路面積を操作することで、冷却通路をも用いる場合と比較して、エネルギ消費量を低減することができる。
手段12記載の発明は、手段7〜11のいずれかに記載の発明において、前記調温部の温度に関する要求が変化する場合、前記目標値を前記要求の変化よりも大きく変化させる過渡時目標値設定手段を更に備えることを特徴とする。
目標値が変化してから調温部の温度を目標値に追従させるためには、温度調節された流体によって調温部の温度を変化させる必要があるため、目標値への追従に際しては応答遅れが生じる。更に、制御対象の温度を変化させるためには、調温部の温度が変化した後、制御対象と調温部との間で熱エネルギの交換が行われなければならないため、制御対象の温度変化の応答遅れはいっそう顕著となる。ここで、上記発明では、実際の要求が変化する際、目標値の変化を要求の変化よりも大きくすることで、調温部や制御対象の温度が、要求される温度側に迅速に変化するようにすることができる。
手段13記載の発明は、手段10〜12のいずれかに記載の発明において、前記開ループ制御のゲイン、該開ループ制御の継続時間、及び該開ループ制御時の目標値の設定の少なくとも1つについて複数の選択肢のうちの任意の1つを選択するように外部に促し、選択された値に応じて前記温度制御を行う開ループ制御適合支援手段を更に備えることを特徴とする。
開ループ制御において、そのゲインや、継続時間、目標値の最適な設定は、制御対象に依存する。このため、温度制御装置において、これらのパラメータをはじめから固定して与えておいたのでは、制御対象によっては開ループ制御を最適に行うことができない懸念がある。この点、上記発明では、適合支援手段を備えることで、温度制御装置のユーザが制御対象に応じてこれらパラメータを適合する際の労力を低減することができる。
手段14記載の発明は、手段7〜13のいずれかに記載の発明において、前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの下流の流路面積を調節する手段であり、前記操作手段は、前記調温部の温度が定常状態である場合、前記加熱通路及び前記冷却通路についての前記調節手段によって調節される流路面積がゼロとなることを禁止することを特徴とする。
加熱通路や冷却通路から調温部へと流体の流出が禁止されている場合、調節手段の下流側と上記禁止されている通路との間に温度勾配が生じる。このため、禁止が解除された直後においては、調温部へと流出する流体の温度が温度勾配の影響を受けるため、調温部の温度を所望の温度に追従させるまでに要する時間が長時間化するおそれがある。この点、上記発明では、調温部の温度が定常状態である場合、加熱通路及び冷却通路の前記調節手段によって調節される流路面積がゼロとなることを禁止することで、温度勾配を好適に抑制することができ、ひいては調温部の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
なお、手段14記載の発明は、前記加熱通路のうち前記調節手段よりも上流側には、その温度を検出する加熱側温度検出手段が設けられており、前記冷却通路のうち前記調節手段よりも上流側には、その温度を検出する冷却側温度検出手段が設けられていることを特徴としてもよい。この場合、加熱通路や冷却通路から調温部へと流体の流出が禁止されることで上記検出手段が上記温度勾配の影響を受けることを好適に抑制することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる温度制御装置の第1の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に、本実施形態にかかる温度制御装置の全体構成を示す。
図示される温度制御装置は、例えば生物工学の分野や化学工業の分野における加工・製造工程や、生物学・化学実験、更には精密機器の製造工程等において用いられるものである。温度制御装置は、調温プレート10を備えている。調温プレート10は、その上に制御対象を載せて支持することで、制御対象と熱エネルギの交換をする部材である。詳しくは、調温プレート10内部には、合流部12を介して取り込まれる非圧縮性の流体(熱エネルギの交換を仲介する液状媒体(液状温度媒体)であることが望ましい)が流動する通路(調温部11)が設けられており、この流体の温度により調温プレート10の温度が調節されるようになっている。なお、制御対象としては、例えば製造対象となる精密機器等がある。
調温プレート10内を流動した流体は、出力通路14を介してタンク16へと流入する。タンク16には、流体が充填されているものの、その上部には、隙間があり、気体が注入されている。このため、温度変化に起因した流体の体積変化が生じたとしても、この変化は、圧縮性流体としての気体によって吸収される。そして、これにより、流体の体積変化によって流体の流動が妨げられることが回避される。
タンク16内の流体は、ポンプ18によって吸入され、分岐部19へと出力される。ここで、ポンプ18は、例えばダイアフラムポンプや、渦流ポンプ、カスケードポンプ等からなる。上記分岐部19には、冷却通路20、バイパス通路30及び加熱通路40が接続されている。
冷却通路20は、分岐部19から流入する流体を冷却して合流部12へと流出させるための通路である。冷却通路20には、その一部を覆うように冷却部22が設けられている。冷却部22は、分岐部19から流入した流体を冷却する。詳しくは、冷却部22には、所定の温度まで冷却された流体(水、油、冷媒等)が流動する通路が設けられており、この流体によって冷却通路20内の流体が冷却されるようになっている。冷却通路20は、冷却部22の上流側端部と下流側端部との間において屈曲した通路構造を有することで、冷却部22内における冷却通路20内の容積を拡大している。なお、この屈曲構造に代えて、例えば冷却部22内においてのみ流路面積を拡大することによって、冷却部22内の容積を拡大してもよい。
また、冷却通路20の下流側には、冷却通路20内の流路面積を連続的に調節する冷却用バルブ24が設けられている。そして、冷却通路20のうち冷却用バルブ24よりも上流側には、冷却通路20内の流体の温度を検出する冷却用温度センサ26が設けられており、冷却用バルブ24よりも下流側には、冷却通路20内の流体の質量流量又は容積流量を検出する冷却用流量計28が設けられている。
なお、冷却通路20は、冷却部22よりも下流側においては、その流路面積が略一定とされることが望ましい。
一方、バイパス通路30は、分岐部19から流入する流体をそのまま合流部12を介して調温部11へと流出させるための通路である。バイパス通路30の下流側には、バイパス通路30内の流路面積を連続的に調節するバイパス用バルブ34が設けられている。そして、バイパス通路30のうちバイパス用バルブ34よりも上流側には、バイパス通路30内の流体の温度を検出するバイパス用温度センサ36が設けられており、バイパス用バルブ34よりも下流側には、バイパス通路30内の流体の質量流量又は容積流量を検出するバイパス用流量計38が設けられている。
加熱通路40は、分岐部19から流入する流体を加熱して合流部12へと流出させるための通路である。加熱通路40には、その一部を覆うように加熱部42が設けられている。加熱部42は、分岐部19から流入した流体を加熱する。詳しくは、加熱部42には、所定の温度まで加熱された流体(水、油、熱媒等)が流動する通路が設けられており、この流体によって加熱通路40内の流体が加熱されるようになっている。加熱通路40は、加熱部42の上流側端部と下流側端部との間において屈曲した流路構造を有することで、加熱部42内における加熱通路40内の容積を拡大している。なお、この屈曲構造に代えて、例えば加熱部42内においてのみ流路面積を拡大することによって、加熱部42内の容積を拡大してもよい。
また、加熱通路40の下流側には、加熱通路40内の流路面積を連続的に調節する加熱用バルブ44が設けられている。そして、加熱通路40のうち加熱用バルブ44よりも上流側には、加熱通路40内の流体の温度を検出する加熱用温度センサ46が設けられており、加熱用バルブ44よりも下流側には、加熱通路40内の流体の質量流量又は容積流量を検出する加熱用流量計48が設けられている。
なお、加熱通路40は、加熱部42よりも下流側においては、その流路面積が略一定とされることが望ましい。
冷却通路20、バイパス通路30及び加熱通路40は、その下流に位置する合流部12にて接続される。ここで、合流部12内の流路面積や合流部12及び調温部11間の流路面積は、流体の流速を低減しない範囲で冷却通路20、バイパス通路30及び加熱通路40の流路面積と比較して極力拡大しないようにすることが望ましい。すなわち、合流部12や合流部12及び調温部11間の流路面積は、冷却用バルブ24やバイパス用バルブ34、加熱用バルブ44から流出する流体の流速を極力低減しないように、その容積に起因する流体の滞留を抑制することのできるように設定することが望ましい。
上記合流部12及び調温部11間には、調温部11に出力される流体の温度を検出する出力温度センサ51が設けられている。
一方、制御装置50は、外部からの制御対象の温度の要求値(要求温度Tr)に応じて冷却用バルブ24や、バイパス用バルブ34、加熱用バルブ44を操作することで、調温部11内の流体の温度を調節し、これにより間接的に調温プレート10上の制御対象の温度を制御する。この際、制御装置50は、冷却用温度センサ26や、バイパス用温度センサ36、加熱用温度センサ46、冷却用流量計28、バイパス用流量計38、加熱用流量計48、出力温度センサ51等の検出値を適宜参照する。
なお、上記制御装置50は、冷却用バルブ24や、バイパス用バルブ34、加熱用バルブ44を駆動するためのドライバ部と、上記各種検出手段の検出値に基づき上記ドライバ部の出力する操作信号を演算するための演算部とを備えて構成されている。この演算部は、専用のハードウェア手段によって構成してもよく、また、マイクロコンピュータを備えて構成してもよい。更には、汎用性のあるパーソナルコンピュータと、これに演算をさせるためのプログラムを備えて構成してもよい。
上記温度制御装置によれば、要求温度Trの変化に応じて、調温部11内の温度を迅速に変化させることができる。すなわち、冷却通路20内の流体の温度が要求温度Tr以下であって且つ加熱通路40内の流体の温度が要求温度Tr以上である範囲においては、要求温度Trがいかなる値となっても、冷却通路20、バイパス通路30、及び加熱通路40からの流体の流量を調節することで調温部11内の温度を迅速に所望の温度に変化させることができる。
更に、上記温度制御装置は、バイパス通路30を備えることで、調温部11内の温度を所定に維持する際のエネルギ消費量を低減することができる構成ともなっている。以下、これについて説明する。
今、調温部11を循環する流体を水とし、冷却通路20内の温度が「10°C」であり、加熱通路40内の温度が「70°C」であるとし、調温部11内を流動する流体の流量を「20L/分」とする。また、出力温度センサ51の検出値Tdを「40°C」に制御して定常状態が実現しており、調温部11から流出する流体の温度が「43°C」に上昇しているとする。この場合、冷却通路20及びバイパス通路30の流体を調温部11に流出させ、加熱通路40内の流体についてはこれを用いないようにすることで、温度制御を行うことができる。このときのエネルギ消費量について考察する。
今、冷却通路20から調温部11へと流出する流体の流量を「Wa」とすると以下の式が成立する。
20(L/分)×40(°C)
=10(°C)×Wa+43(°C)×(20−Wa)
これから、Wa≒「1.8L/分」
このため、冷却部22において消費されるエネルギ消費量Qaは、以下となる。
Qc=(43−10)×1.8×60(秒)÷(860:変換係数)
=4.1kW
これに対し、バイパス通路30を備えない構成の場合、冷却部22のエネルギ消費量Qaと加熱部42のエネルギ消費量Qcは、以下のようになる。
Qa=(43−10)×10(L/分)×60(秒)÷860≒23kW
Qc=(70―43)×10(L/分)×60(秒)÷860≒19kW
したがって、エネルギ消費量Qは、「42kW」となり、バイパス通路30を設ける場合のおよそ「10」倍となる。
次に、本実施形態にかかる制御装置50の行う温度制御について詳述する。図2は、制御装置50の行う処理のうちのフィードバック制御の処理手順を示している。この処理は、制御装置50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、開ループ制御時であるか否かを判断する。この処理は、フィードバック制御の実行条件が成立しているか否かを判断するものである。ここで、開ループ制御は、後述する条件下で行われるものであり、このときには、フィードバック制御を行わない。
ステップS10において否定判断される場合には、ステップS12において、出力温度センサ51の検出値Tdを取得する。続くステップS14においては、検出値Tdを目標値Ttにフィードバック制御するための基本操作量MBを算出する。ここで、目標値Ttは、要求温度Trに基づき定められる値であり、フィードバック制御時においては要求温度Trとされる。基本操作量MBは、検出値Tdの目標値Ttに対する乖離度合いに基づき算出される量である。詳しくは、本実施形態では、検出値Tdと目標値Ttとの差ΔのPID(比例積分微分)演算によって基本操作量MBを算出する。
続くステップS16においては、基本操作量MBを、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44の各操作量(開度Va,Vb,Vc)に変換する。ここでは、図3に示す関係を用いる。ここで、冷却用バルブ24の開度Vaは、基本操作量MBがゼロ未満である場合には、基本操作量MBの増加に伴い単調強減少し、基本操作量MBがゼロ以上である場合には、「0」となる。これは、検出値Tdが目標値Ttよりも高いほど冷却通路20の流量を増加させて且つ、検出値Tdが目標値Tt以下の場合には、冷却通路20を用いないための設定である。また、加熱用バルブ44の開度Vcは、基本操作量MBがゼロより大きい場合には、基本操作量MBの増加に伴い単調強増加し、基本操作量MBがゼロ以下である場合には、「0」となる。これは、検出値Tdが目標値Ttよりも低いほど加熱通路40の流量を増加させて且つ、検出値Tdが目標値Tt以上の場合には、加熱通路40を用いないための設定である。更に、バイパス用バルブ34の開度は、基本操作量MBがゼロから離間するに従い単調強減少する。なお、図3において、3つの通路から流出する合計の流量が基本操作量MBの値によって変化しないように各開度を設定することが望ましい。
こうした設定によれば、検出値Tdと目標値Ttとの差Δの単一のPID演算によって算出される基本操作量MBに基づき、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34及び加熱用バルブ44の3つのバルブの操作量を設定することができる。
先の図2のステップS16の処理が完了すると、ステップS18において、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34及び加熱用バルブ44の3つのバルブを操作する。なお、ステップS10において否定判断される場合や、ステップS18の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
このようにフィードバック制御を用いることで、検出値Tdを目標値Ttに高精度に追従させることができる。ただし、フィードバック制御によって目標値Ttの変化に対する検出値Tdの応答性を向上させるためには、フィードバック制御のゲインを大きくする要求が生じる一方、ゲインを大きくすると、検出値Tdが目標値Ttの上下に変動する変動量が大きくなる。このように、フィードバック制御では、目標値Ttの変化に対する応答性の向上と、検出値Tdの変動量の低減とが互いにトレードオフの関係となっている。このため、変動量を低減する場合には、応答性が犠牲となる。図4に、目標値Ttが変化する際にフィードバック制御を用いる場合についての検出値Td及び制御対象の温度の変化を示す。
図示されるように、検出値Tdが目標値Ttとなるまでには応答遅れが生じ且つ、制御対象の温度が目標値Ttに追従するまでには更に長時間を要する。これは、制御対象の温度が変化するためには、調温部11の温度が変化し、調温プレート10と調温部11との熱エネルギの交換を介して調温プレート10の温度が変化し、調温プレート10と制御対象との間で熱エネルギの交換が生じなければならないことによる。このため、検出値Tdの変動量を低減するようにフィードバック制御を設定したのでは、フィードバック制御によって制御対象の温度を目標値Ttに迅速に追従させることが困難となる。そこで本実施形態では、外部からの要求温度Trが変化する場合には、開ループ制御を用いる。更に、この際、要求温度Trの変化よりも目標値Ttを一旦大きく変化させる。
図5に、本実施形態にかかる過渡時における目標値Ttの設定処理の手順を示す。この処理は、制御装置50によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS20において、目標値Ttを一旦大きく変化させるバイアス制御を実行するフラグであるバイアス制御実行フラグがオンとなっているか否かを判断する。そして、オフである場合には、ステップS22に移行する。ステップS22においては、要求温度Trの変化量ΔTrの絶対値が閾値α以上であるか否かを判断する。ここで、閾値αは、先の図2に示したフィードバック制御によっては制御対象の温度を迅速に要求の変化に追従させることができない状況であるか否かを判断するためのものである。そして、閾値α以上であると判断される場合には、ステップS24において、バイアス制御フラグをオンするとともに、バイアス制御時間を計時する計時動作を開始する。
上記ステップS24の処理が完了する場合や、ステップS20において肯定判断されるときには、ステップS26において、変化量ΔTrがゼロよりも大きいか否かを判断する。この処理は、温度を上昇させる側の要求が生じているのか否かを判断するものである。そして変化量ΔTrがゼロよりも大きいと判断される場合には、ステップS28に移行する。ステップS28においては、目標値Ttを、加熱通路40内の流体の温度から所定のオフセット値βを減算した値に設定する。ここで、目標値Ttを加熱通路40内の温度に近似させればさせるほど、制御対象の温度を迅速に上昇させることができる。ただし、目標値Ttが加熱通路40内の温度よりも高い場合には、制御を行うことできなくなる。そして、加熱通路40内の温度は、加熱通路40を流体が循環することで変動し得る。このため、目標値Ttを加熱通路40内の温度に対してオフセット値βだけ低く設定する。
一方、ステップS26において変化量ΔTrがゼロ以下であると判断される場合には、ステップS30において、目標値Ttを、冷却通路20内の流体の温度に所定のオフセット値γを加算した値に設定する。ここで、オフセット値γの設定は、上記オフセット値βの設定と同趣旨である。
ステップS28、S30の処理による目標値Ttの設定は、バイアス継続時間Tbiに渡って継続される(ステップS32)。そして、バイアス継続時間Tbiが経過すると、ステップS34において、目標値Ttを要求温度Tdとする。更に、バイアス制御フラグをオフとするとともにバイアス制御時間を計時する計時動作を終了する。なお、ステップS34の処理が完了する場合や、上記ステップS22、S32において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
図6に、本実施形態にかかる過渡時の温度制御の処理手順を示す。この処理は、制御装置50によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS40において、開ループ制御を行う旨のフラグである開ループ制御フラグがオンとなっているか否かを判断する。そして、開ループ制御フラグがオンとなっていない場合には、ステップS42に移行する。ステップS42においては、目標値Ttの変化量ΔTtの絶対値が閾値ε以上であるか否かを判断する。そして、閾値ε以上であると判断される場合には、ステップS44において、開ループ制御を行う旨のフラグである開ループ制御フラグをオンとするとともに、開ループ制御時間を計時する計時動作を開始する。
そして、ステップS44の処理が完了する場合や、ステップS40において肯定判断される場合には、ステップS46に移行する。ステップS46においては、目標値Ttが、バイパス用温度センサ36によって検出されるバイパス通路30内の流体の温度Tbよりも高いか否かを判断する。この処理は、バイパス通路30及び加熱通路40を用いて開ループ制御を行うか、バイパス通路30及び冷却通路20を用いて開ループ制御を行うかを判断するものである。
そして、目標温度Ttがバイパス通路30内の流体の温度Tbよりも高いと判断される場合には、ステップS48に移行する。ステップS48では、バイパス通路30及び加熱通路40を用いて開ループ制御を行う。すなわち、目標温度Tbがバイパス通路30内の流体の温度Tbよりも高いなら、冷却通路20を用いることはエネルギの浪費にしかならないため、バイパス通路30及び加熱通路40を用いて開ループ制御を行う。詳しくは、加熱用温度センサ46の温度Tc及び加熱用流量計48の流量Fcと、バイパス用温度センサ36の温度Tb及びバイパス用流量計38の流量Fbとを用いて、調温部11へと出力される流体の温度が目標値Ttとなるように加熱用バルブ44及びバイパス用バルブ34を操作する。換言すれば、下記の式が成立するように、加熱用バルブ44及びバイパス用バルブ34を操作する。
Tt×(Fc+Fb)=Tc×Fc+Tb×Fb
一方、ステップS46において目標温度Tbがバイパス通路30内の流体の温度Tb以下と判断される場合には、ステップS50に移行する。ステップS50では、バイパス通路30及び冷却通路20を用いて開ループ制御を行う。すなわち、目標温度Ttがバイパス通路30内の流体の温度Tb以下なら、加熱通路40を用いることはエネルギの浪費にしかならないため、バイパス通路30及び冷却通路20を用いて開ループ制御を行う。詳しくは、冷却用温度センサ26の温度Ta及び冷却用流量計28の流量Faと、バイパス用温度センサ36の温度Tb及びバイパス用流量計38の流量Fbとを用いて、調温部11へと出力される流体の温度が目標値Ttとなるように冷却用バルブ24及びバイパス用バルブ34を操作する。換言すれば、下記の式が成立するように、冷却用バルブ24及びバイパス用バルブ34を操作する。
Tt×(Fa+Fb)=Ta×Fa+Tb×Fb
上記ステップS48、S50の処理が完了すると、ステップS52に移行する。ステップS52においては、所定期間Topが経過したか否かを判断する。ここで、所定期間Topは、開ループ制御を継続する時間を定めるものである。本実施形態では、先の図5に示した処理によって目標値Ttが要求温度Trと相違するバイアス継続時間Tbi内にフィードバック制御に移行することのないように、所定期間Topを、バイアス継続時間Tbiよりも長い時間に設定している。そして、所定期間Topが経過したと判断される場合には、ステップS54において、開ループ制御フラグをオフとするとともに開ループ制御時間を計時する計時動作を終了する。
なお、ステップS54の処理が完了する場合や、ステップS42,S52において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
図7に、図6及び図5の処理を併用した場合の温度制御態様を示す。図示されるように、先の図4に示した場合と比較して、制御対象の温度を迅速に目標値Ttに追従させることができる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)流体を加熱して調温部11に循環させる加熱通路40と、流体を冷却して調温部11に循環させる冷却通路20と、加熱通路40及び冷却通路20を通過することなく流体を調温部11に循環させるバイパス通路30と、加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30のそれぞれの下流側の流路面積を調節する加熱用バルブ44、冷却用バルブ24、及びバイパス用バルブ34を備えた。これにより、制御対象の温度を所望に制御するに際し、その制御対象の温度を所望の温度に迅速に追従させることができる。
(2)加熱通路40と冷却通路20との間で、バイパス通路30を共有化した。これにより、加熱通路40及びバイパス通路30から調温部11に流体が出力される場合と、冷却通路20及びバイパス通路30から調温部11に流体が出力される場合とで、共通のバイパス通路30を用いることができる。このため、各別のバイパス通路を用いなければならない場合と比較して、温度制御装置の構造を簡素化することができる。
(3)調温部11の流体を吸入して加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30へと吐出するポンプ18を更に備えた。このように、加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30よりも上流側にポンプ18を配置することで、加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30よりも下流側且つ調温部11よりも上流側に配置する場合と比較して、加熱用バルブ44、冷却用バルブ24及びバイパス用バルブ34と調温部11との間の流体の流路長を短縮することができる。このため、加熱用バルブ44、冷却用バルブ24及びバイパス用バルブ34から出力される流体を調温部11に迅速に到達させることができ、ひいては調温部11の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
(4)加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30の上流側であって且つ調温部11の下流側に流体を貯蔵するタンク16を設け、タンク16の上部に気体を充填した。これにより、温度変化に起因する流体の体積変化を吸収することができ、ひいては、温度による流体の体積変化にかかわらず流体の循環を好適に維持することができる。
(5)調温部11近傍の流体の温度を検出する出力温度センサ51による検出値Tdを目標値Ttにフィードバック制御した。これにより、検出値Tdを目標値Ttに高精度に追従させることができる。
(6)上記フィードバック制御に際し、検出値Tdの目標値Ttからの乖離度合いに基づく基本操作量MBを、加熱通路40、冷却通路20、及びバイパス通路30のそれぞれの流路面積操作量(開度Va,Vb,Vc)に変換した。これにより、単一の基本操作量MBに基づき、上記3つの通路の流路面積を調節(操作)することができる。
(7)目標値Ttが変化してから所定期間に渡って、フィードバック制御に代えて、バイパス通路30の温度を検出するバイパス用温度センサ36の検出値に基づき調温部11近傍の流体の温度を開ループ制御した。これにより、目標値Ttの上下に検出値Tdが変動する変動量を抑制するようにフィードバック制御を設定したとしても、目標値Ttの変化時の応答性を高めることができる。
(8)目標値Ttが変化するとき、バイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも高い場合にはバイパス通路30及び冷却通路20の流路面積を操作することで、調温部11の温度を目標値Ttに開ループ制御し、バイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも低い場合にはバイパス通路30及び加熱通路40の流路面積を操作することで、調温部11の温度を目標値に開ループ制御した。これにより、エネルギ消費量を極力低減しつつ開ループ制御をすることができる。
(9)調温部11の温度に関する要求が変化する場合、目標値Ttを要求の変化よりも大きく変化させた。これにより、調温部11や制御対象の温度が、要求される温度側にいっそう迅速に変化するようにすることができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図8に、本実施形態にかかる温度制御装置の全体構成を示す。図示されるように、本実施形態では、冷却通路20のうち冷却用温度センサ26及び冷却用バルブ24間に、冷却通路20内の流体を出力通路14に流出させる流出通路60が接続されている。また、加熱通路40のうち加熱用温度センサ46及び加熱用バルブ44間に、加熱通路40内の流体を出力通路14に流出させる流出通路62が接続されている。
これら流出通路60,62は、いずれも冷却通路20、加熱通路40の流路面積よりも十分に小さい。これは、流出通路60,62が、冷却用バルブ24や加熱用バルブ44の閉弁時において冷却通路20や加熱通路40から出力通路14へと流体を微小に流出させるためのものであることによる。
すなわち、加熱通路40や冷却通路20から調温部11へと流体の流出が禁止されている場合、加熱用バルブ44や冷却用バルブ24の下流側と上記禁止されている通路との間に温度勾配が生じる。このため、禁止が解除された直後においては、調温部11へと流出する流体の温度が温度勾配の影響を受けるため、調温部11の温度を所望の温度に追従させるまでに要する時間が長時間化するおそれがある。また、この場合、冷却用温度センサ26や加熱用温度センサ46の温度が、この温度勾配の影響を受けるため、冷却部22近傍の温度や加熱部42近傍の温度から離間した温度を検出するようになる。このため、目標値Ttが変化する際の開ループ制御の制御性が低下するおそれもある。
これに対し、本実施形態では、流出通路60,62を備えることで、加熱用バルブ44や冷却用バルブ24が閉弁状態にある場合において流出通路60、62よりも上流側の温度勾配を好適に抑制することができ、ひいては調温部11の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)〜(9)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(10)加熱通路40のうち加熱用バルブ44よりも上流側と冷却通路20のうち冷却用バルブ24よりも上流側とに、流出通路60,62を設けた。これにより、目標値Ttが変化する際の温度制御をより適切に行うことができる。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図9に、本実施形態にかかる基本操作量MBと、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44の開度Va,Vb,Vcとの関係を示す。図示されるように、本実施形態では、冷却用バルブ24の開度Vaと加熱用バルブ44の開度Vcとが常時全閉状態とならないように設定している。すなわち、冷却用バルブ24の開度Vaは、基本操作量MBがゼロ未満である場合には、基本操作量MBの増加に伴い単調強減少し、基本操作量MBがゼロ以上である場合には、最小の開度(>0)となる。また、加熱用バルブ44の開度Vcは、基本操作量MBがゼロより大きい場合には、基本操作量MBの増加に伴い単調強増加し、基本操作量MBがゼロ以下である場合には、最小の開度(>0)となる。
これにより、先の図8に示す流出通路60,62を備えることなく、バイパス通路30からの流体の流出が主となって調温部11内の温度制御が安定しているときにおけるこれら冷却用バルブ24や加熱用バルブ44の上流側の温度勾配を抑制することができる。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)〜(9)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(11)冷却用バルブ24の開度Vaと加熱用バルブ44の開度Vcとが常時全閉状態とならないように設定した。これにより、冷却用バルブ24や加熱用バルブ44の上流側の温度勾配を抑制することができ、ひいては調温部11の温度を所望の温度により迅速に追従させることができる。
(第4の実施形態)
以下、第4の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
上記第1の実施形態では、目標値Ttが変化するとき、調温部11近傍の温度を開ループ制御することで、制御対象の温度を迅速に所望の値に追従させた。この開ループ制御の制御ゲインや、上記バイアス継続時間Tbi、開ループ制御を継続する所定期間Topの最適値は、調温プレート10や制御対象に依存して変化し得る。一方、ユーザが制御対象を変更するたびに、これらのパラメータを手動で変更したのではその適合にかかる労力が大きなものとなる。そこで本実施形態では、制御装置50に適合支援機能を搭載する。図10に、本実施形態にかかる適合支援の処理手順を示す。この処理は、制御装置50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS70において、上記開ループ制御の適合を行うモード(テストモード)であるか否かを判断する。ここでは、例えば制御装置50の操作部に、ユーザがテストモードを指示するための機能を備えておくことで、テストモードの有無を判断すればよい。そして、テストモードであると判断される場合には、ステップS72において、バイアス継続時間Tbiの候補をユーザにとって視認可能な表示手段に表示する。ここで、バイアス継続時間Tbiの候補は、当該温度制御装置において想定される制御対象にとって適切な値となり得る範囲で予め設定しておく。
続くステップS74では、バイアス継続時間Tbiの入力があったか否かを判断する。この処理は、バイアス継続時間Tbiの候補の中の一つをユーザが選択したか否かを判断するものである。そして、ユーザにより特定の候補が選択されたと判断される場合には(ステップS74:YES)、ステップS76において、選択された候補を用いて温度制御を開始する。そして、温度制御が終了すると、ステップS78において、バイアス継続時間Tbiを決定するか否かを、ユーザにとって視認可能な表示手段を介してユーザに問い合わせる。そして、ユーザから決定しない旨の意思表示が入力される場合には(ステップS80:NO)、上記ステップS72〜S78の処理をやり直す。
これに対し、ユーザからそれまでに選択された候補のいずれかを最終的なバイアス継続時間Tbiとする指示が入力される場合には(ステップS80:YES)、ステップS82において、バイアス継続時間Tbiを記憶する。なお、ステップS82の処理が完了する場合や、ステップS70において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)〜(9)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
(12)バイアス継続時間Tbiについて複数の選択肢のうちの任意の1つを選択するように外部に促し、選択された値に応じて温度制御を行う開ループ制御適合支援機能を備えた。これにより、温度制御装置のユーザが制御対象に応じて開ループ制御を適合する際の労力を低減することができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記第4の実施形態の上記第1の実施形態からの変更点によって、上記第2、第3の実施形態を変更してもよい。
・上記第4の実施形態では、開ループ制御の適合支援を行うに際しての適合パラメータを、バイアス継続時間Tbiとしたがこれに限らない。例えば開ループ制御の継続時間(所定期間Top)を適合パラメータとしてもよい。また、例えば先の図5に示したバイアス制御における目標値の設定(オフセット値β、γ)を適合パラメータとしてもよい。更に、これらのパラメータの複数を適合パラメータとしてもよい。
・上記第4の実施形態においては、ユーザが制御対象に応じて適切な適合パラメータを選択できるように適合を支援したが、適合手法としては、これに限らない。例えば上記バイアス継続時間Tbi、所定期間Top、及びオフセット値β、γの各パラメータについて任意に初期値を設定して温度制御をする際に、制御対象の温度(又は調温プレート10の温度)を監視し、その目標値への追従遅れ時間が許容範囲内とならない場合には、上記パラメータのうちの少なくとも1つを自動で変更する処理を行うようにしてもよい。これによれば、目標値への追従遅れ時間が許容範囲内となるように自動で開ループ制御を適合することができるため、ユーザの労力をいっそう軽減することができる。
・基本操作量MBを、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44の操作量に変換する手法としては、先の図3及び図9に示したものに限らない。これら図3及び図9では、いずれも目標値Ttと検出値Tdとの温度差Δの変化に対して、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34及び加熱用バルブ44のうちの任意の2つの操作量が変化するようにしたが、これに限らず、例えば全ての操作量が変化するようにしてもよい。また、先の図3及び図9では、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34及び加熱用バルブ44の各操作量が温度差Δの0次又は1次の関数となるようにしたが、これにも限らない。
・先の第3の実施形態では、基本操作量MBがいかなる値であろうとも冷却用バルブ24及び加熱用バルブ44が全閉状態となることを禁じたがこれに限らない。基本操作量MBがゼロ近傍となる場合にのみ、冷却用バルブ24及び加熱用バルブ44が全閉状態となることを禁じてもよい。すなわち、要求温度Trが変化する前には、検出値Tdが目標値Ttに追従して検出値Tdが定常状態となっていると考えられるため、この場合のみ目標値Ttの変化に備えるべく、基本操作量MBがゼロ近傍である場合にのみ冷却用バルブ24及び加熱用バルブ44が全閉状態となることを禁じてもよい。なお、この際、基本操作量MBがゼロよりも小さい場合には、冷却用バルブ24の操作量の変化量が加熱用バルブ44の操作量の変化量よりも大きくなるようにして且つ、基本操作量MBがゼロよりも大きい場合には、加熱用バルブ44の操作量の変化量が冷却用バルブ24の操作量の変化量よりも小さくなるようにすることが望ましい。
・流出通路60,62としては、先の第2の実施形態(図8)に例示したものに限らない。例えば図11に示すように、冷却通路20のうち冷却用バルブ24の上流側と下流側とを冷却用バルブ24を迂回して接続する流出通路60と、加熱通路40のうち加熱用バルブ44の上流側と下流側とを加熱用バルブ44を迂回して接続する流出通路60とを備えてもよい。なお、ここでも流出通路60,62は、冷却用温度計26や加熱用温度計46よりも下流側とすることが望ましい。
・上記各実施形態では、開ループ制御を継続する所定期間Topとバイアス継続時間Tbiとを独立に設定したがこれに限らず、これらを一致させてもよい。
・フィードバック制御としては、PID制御に限らない。例えばPI制御やI制御であってもよい。ここで例えば、上記各実施形態のように、目標値が変化する過渡時に開ループ制御を行う構成にあっては、フィードバック制御の目的は正常時において検出値Tdを目標値Ttに高精度に一致させることや、検出値Tdの変動を極力低減することである。このため、積分制御のように、検出値Tdと目標値Ttとの乖離度合いを示す量の累積値に基づき検出値Tdを目標値Ttにフィードバック制御することが特に有効である。
・開ループ制御としては、上記実施形態で例示したものに限らない。例えばバイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも高い場合には、冷却用バルブ24とバイパス用バルブ30の開度を、先の図3に示した開度の比率を参照して設定し、バイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも低い場合には、加熱用バルブ44とバイパス用バルブ30の開度を、先の図3に示した開度の比率を参照して設定してもよい。ここで、用いる通路内の流体の温度に応じて、いずれの開度比率にて2つのバルブを用いれば目標値Ttとすることができるかを計算することで開ループ制御をすることができる。特にこの手法によれば、流量計を用いることを回避することができる。流量計は流体に浸されるため、加熱通路40内の流体の温度と冷却通路20内の流体の温度との間の温度領域全域において長時間の使用に対して信頼性を維持することが困難であるため、流量計を用いることなく簡易に開ループ制御をすることは望ましい。なお、図3に示した開度比率を用いることなく、例えばバイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも高い場合には、冷却用バルブ24とバイパス用バルブ30の開度を、目標値Ttに対する冷却通路20内の流体温度の差とバイパス通路30内の流体温度に対する目標値Ttの差との比率に応じて設定してもよい。同様に、バイパス通路30内の流体の温度が目標値Ttよりも低い場合には、加熱用バルブ44とバイパス用バルブ30の開度を、目標値Ttに対するバイパス通路30内の流体温度の差と加熱通路40内の流体温度に対する目標値Ttの差との比率に応じて設定してもよい。
・フィードバック制御をするものに限らず、先の図6のステップS48,S50に例示した開ループ制御のみを行ってもよい。また、目標値の変化の有無にかかわらず、先の図6のステップS48,S50に例示した開ループ制御によって定まる基本操作量を、フィードバック制御によって補正することで最終的な基本操作量MBを算出してもよい。また、逆に、目標値の変化の有無にかかわらず、フィードバック制御のみを行ってもよい。この場合であっても、要求温度Tdが変化する際、目標値Ttを要求温度Tdよりも大きく変化させる上述したバイアス制御は有効である。すなわち、フィードバック制御においては、応答遅れを低減することと目標値Ttに対する検出値Tdの変動を低減することとは互いにトレードオフの関係にあるが、バイアス制御を行うことでフィードバック制御のゲインの割りに応答遅れを低減することができることから、上記変動を低減しつつも応答遅れを低減することができる。
・フィードバック制御としては、フィードバック制御の要求量(基本操作量MB)を、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44の操作量に変換することで行うものに限らない。例えば目標値Ttと検出値Tdとの乖離度合いに基づき、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44の操作量をそれぞれ独立に設定してもよい。ただし、この場合であっても、目標値Ttが検出値Tdよりも高い場合には、バイパス用バルブ34及び冷却用バルブ24の操作量のみを変更対象とし、目標値Ttが検出値Tdよりも低い場合には、バイパス用バルブ34及び加熱用バルブ44の操作量のみを変更対象とすることが望ましい。
・温度による流体の体積変化を吸収する機能を有する貯蔵手段としては、上記各実施形態で例示したように、タンク16内を全て流体で満たすことなく、気体が充填される空間を有するように設定することで構成されるものに限らない。例えばタンク16に隙間なく流体を充填する構成にして且つ、流体がタンク16内壁に加える力に応じてタンク16の体積が変化し得るものであってもよい。
・上記各実施形態では、冷却通路20、バイパス通路30及び加熱通路40から調温プレート10へと出力される流体の流量比を調節する調節手段として、冷却用バルブ24、バイパス用バルブ34、及び加熱用バルブ44を用いたがこれに限らない。例えばこれら通路をそれぞれ複数備えるとともに、これらそれぞれに開閉の2値的な動作をするバルブを設け、調温プレート10に流体を出力する通路の数を操作量としてもよい。更に、複数の通路を用意して且つ、それら各通路毎に冷却部22、加熱部42及びポンプ18の下流側のいずれと接続するかを操作するようにしてもよい。また、冷却通路20、バイパス通路30及び加熱通路40のそれぞれに各別にポンプを備えて、その吐出能力を各別に操作することで流量比を調節してもよい。
・その他、調温プレート10の形状は、上記長方形状に限らず、例えば円盤状であってもよい。更に、調温部11としては、制御対象を鉛直下方から支持可能な板状部材内部に備えられるものに限らず、例えば制御対象の複数の側面に接触してその温度を制御するものであってもよい。
第1の実施形態にかかる温度制御装置の全体構成を示す図。 同実施形態にかかるフィードバック制御の処理手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる冷却用バルブ、バイパス用バルブ、加熱用バルブの操作量の設定手法を示す図。 同実施形態において、仮にフィードバック制御のみによって温度制御した場合の制御対象等の温度の推移を示すタイムチャート。 同実施形態における目標値の設定処理の手順を示す流れ図。 同実施形態における開ループ制御の処理手順を示す流れ図。 上記開ループ制御を併用した場合の制御対象等の温度の推移を示すタイムチャート。 第2の実施形態にかかる温度制御装置の全体構成を示す図。 第3の実施形態にかかる冷却用バルブ、バイパス用バルブ、加熱用バルブの操作量の設定手法を示す図。 第4の実施形態にかかる開ループ制御の適合支援処理の手順を示す流れ図。 第2の実施形態の変形例にかかる温度制御装置の全体構成を示す図。 従来の温度制御装置の構成を示す図。
符号の説明
11…調温部、20…冷却通路、22…冷却部、24…冷却用バルブ、30…バイパス通路、34…バイパス用バルブ、40…加熱通路、42…加熱部、44…加熱用バルブ、50…制御装置(操作手段の一実施形態)。

Claims (11)

  1. 制御対象の近傍に配置される調温部に流体を循環させることで前記制御対象の温度を所望に制御する温度制御装置において、
    前記流体を加熱して前記調温部に循環させる加熱通路と、
    前記流体を冷却して前記調温部に循環させる冷却通路と、
    前記加熱通路及び前記冷却通路を通過することなく、前記流体を前記調温部に循環させるバイパス通路と、
    前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路からこれらが合流する合流部を介して前記調温部に出力される流体の流量比を調節する調節手段とを備え、
    前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路の下流側であって且つ前記合流部の上流側に設けられ、
    前記調温部近傍の流体の温度を目標値に制御すべく、前記調節手段を操作する操作手段を更に備え、
    前記調節手段は、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの下流の流路面積を調節する手段であり、
    前記操作手段は、前記調温部の温度が定常状態である場合、前記加熱通路及び前記冷却通路についての前記調節手段によって調節される流路面積がゼロとなることを禁止することを特徴とする温度制御装置。
  2. 前記加熱通路と前記冷却通路との間で、前記バイパス通路が共有化されてなることを特徴とする請求項1記載の温度制御装置。
  3. 前記加熱通路及び前記冷却通路の上流側には、前記調節手段を迂回して前記流体を流出させる流出通路が設けられてなることを特徴とする請求項1または2記載の温度制御装置。
  4. 前記調温部よりも下流側の流体を吸入して前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路へと吐出するポンプを更に備えることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の温度制御装置。
  5. 前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路よりも上流側であって且つ前記調温部よりも下流側には、前記流体を貯蔵する貯蔵手段が設けられており、
    該貯蔵手段は、温度による前記流体の体積変化を吸収する機能を有することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の温度制御装置。
  6. 前記操作手段は、前記調温部近傍の流体の温度を検出する出力温度検出手段による検出値を前記目標値にフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の温度制御装置。
  7. 記操作手段は、前記検出値の前記目標値からの乖離度合いに基づく量を、前記加熱通路、前記冷却通路、及び前記バイパス通路のそれぞれの流路面積操作量に変換する変換手段を備えることを特徴とする請求項記載の温度制御装置。
  8. 前記操作手段は、前記目標値が変化してから所定期間に渡って、前記フィードバック制御に代えて、前記バイパス通路の温度を検出するバイパス温度検出手段の検出値に基づき前記調温部近傍の流体の温度を開ループ制御すべく、前記調節手段を操作することを特徴とする請求項6又は7記載の温度制御装置。
  9. 記操作手段は、前記目標値が変化するとき、前記バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも高い場合には前記バイパス通路及び前記冷却通路の流路面積を操作することで、前記調温部の温度を目標値に開ループ制御し、前記バイパス通路内の流体の温度が前記目標値よりも低い場合には前記バイパス通路及び前記加熱通路の流路面積を操作することで、前記調温部の温度を目標値に開ループ制御することを特徴とする請求項記載の温度制御装置。
  10. 前記調温部の温度に関する要求が変化する場合、前記目標値を前記要求の変化よりも大きく変化させる過渡時目標値設定手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の温度制御装置。
  11. 前記開ループ制御のゲイン、該開ループ制御の継続時間、及び該開ループ制御時の目標値の設定の少なくとも1つについて複数の選択肢のうちの任意の1つを選択するように外部に促し、選択された値に応じて前記温度制御を行う開ループ制御適合支援手段を更に備えることを特徴とする請求項8または9のいずれかに記載の温度制御装置。
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