JP5551302B2 - 媒体を調節可能な温度で送出するための機器 - Google Patents

Description

本発明は、媒体を調節可能な温度で送出するための機器に関し、当該機器は、ポンプと、一方の端部がポンプに接続され、他方の端部が媒体の送出のために設けられているホースと、ホースを通って流れる媒体が加熱されるよう、ホースの一部に沿って設けられた加熱素子であって、熱抵抗が当該加熱素子と媒体との間に存在する加熱素子と、加熱素子の温度を調節する（例えば制御する）ための回路とを備えている。本発明はまた、このような機器において媒体の温度を調整/制御するための方法、および、このような機器を較正するための方法に関する。

科学技術の多くの分野において、媒体（特に液体媒体）を、貯蔵容器から、貯蔵容器から取り出される場所へと、当該場所において当該媒体を使用するために、輸送することが必要である。貯蔵容器から使用場所への輸送中に、媒体を加熱する、または、少なくとも特定の温度に維持する必要が非常に頻繁に生じる。この目的のために、必要な熱を生成する電気的な加熱素子が、媒体を輸送するために設けられたホースに備え付けられている。

媒体の温度の調節には問題が多い。これは、作動中にパラメータがしばしば変化するためである。例えば、媒体の輸送が短期間中断されることが考えられる。加熱素子が稼動したままであると、流れを止めた媒体は過熱する場合があり、そのために破壊される場合がある。加熱素子がスイッチをオフにされた場合、媒体はあまりに急速に冷却する場合があり、その結果、輸送が再開されたときに、使用場所で冷た過ぎる場合がある。

これを基盤として、本発明の目的は、冒頭で述べた種類の機器を開発し、媒体の温度を簡単で経費のかからない手段により調整/制御することである。

本課題は、加熱素子に接続されていて、加熱素子の抵抗を検出するように設計された抵抗検出装置が設けられ、供給された電力を検出するよう加熱素子に接続された電力検出装置が設けられ、抵抗検出装置および電力検出装置により確定された値に基づき、かつ、熱抵抗を考慮して、媒体の温度を確定し、媒体の確定された温度に従って加熱素子の温度を調節する制御装置が設けられることによって、冒頭で説明した機器により解決される。

本発明に係るこの解決手段は、媒体の温度を算出したとき、そしてそれゆえに温度を調整したときに、システムの熱抵抗も考慮されることになるという着想に基づいている。熱抵抗はいわば、加熱素子から媒体への熱の損失を表している。加熱素子の温度および加熱素子に供給される電力を確定することにより、熱抵抗を考慮しながら媒体の温度を確定することができる。次いで、媒体の確定された温度値に基づき、加熱素子に供給される電力を調節または調整して媒体の所望の温度を実現することができる。

本機器の利点は特に、パラメータ（すなわち、例えば媒体の輸送速度）が変化した場合であっても、調整が非常に安定した仕方で行われることにある。例えば、調整/制御装置は、より遅い移送速度のために媒体が過度に加熱しているかを非常にすばやく判断し、次いで応答として、加熱素子に供給される電力を低減することができる。
本発明に係る機器のさらなる利点は、調整/制御処理用に温度センサが必要ないことにある。これは、経費の低減に貢献し、例えばホースの交換をも簡略化する。

好ましい開発形態では、加熱素子が、ゼロとかなりの程度異なる温度係数を有する材料で製造されている。
この措置は、特にシステムを較正するときに有利である。なぜなら、温度調整の精度を損なうことなく、比較的大きな公差で作動することも可能だからである。コンスタンタンなどの、加熱素子用にしばしば使用される材料は、低過ぎる温度係数を有しており、これは不利な場合がある。

好ましい開発形態では、較正値保存装置が設けられ、較正値保存装置に、較正値、特に、基準温度用の加熱素子の抵抗値、温度係数、および、熱抵抗値が保存される。
さらに好ましいのは、加熱素子が、半波長制御回路または全波長制御回路を介して、供給電圧を供給され、半波長制御回路または全波長制御回路は制御回路によって制御されることである。

この措置には、TRIACなどのこれに必要なスイッチ素子が電圧ゼロ交差でスイッチをオンおよびオフにされるそれぞれの場合に、供給交流電圧の半波長のみを加熱素子に供給することで、無線妨害および電流の大幅な上昇を防止できるという利点がある。
好ましい開発形態では、温度検出装置が設けられており、温度検出装置は、一方の端部の領域で媒体の温度を検出するよう設計されている。較正装置が設けられていることも好ましく、装置の事前設定された特定の値、特に、熱抵抗値、温度係数、および、基準温度用の加熱素子の抵抗値を決定するよう設計されている。

温度検出装置は機器の通常の作動中には使用されず、較正処理中に温度を確定するためだけに使用される。較正処理は較正装置により行われる。温度検出装置は例えばNTC素子を備えていてもよい。
較正装置の助けにより、加熱素子での異なる温度測定および抵抗測定に基づいて、特定の機器特有の値を確定することができる。次いで、これらの較正値は較正値保存装置に保存される。

本発明の目的は、媒体の温度を調整/制御するための方法によっても解決される。前記方法は、以下の
加熱素子の抵抗値を検出するステップと、
抵抗値に対応する加熱素子温度を確定するステップと、
加熱素子に供給される電力を検出するステップと、
加熱素子温度、電力、および、熱抵抗値に基づきホース内の媒体の温度を算出するステップと、
媒体の算出された温度に従って加熱素子に供給される電力を調節するステップとを含んでいる。

本発明に係る本方法の利点は、本発明に係る機器に関連してすでに説明した利点に対応しており、それゆえに、より詳細に説明する必要はない。本方法が温度測定装置を使用せずに行えることのみを指摘しておく。加熱素子の温度について結論を出すために加熱素子の抵抗値を検出すること、および、加熱素子に供給される電力を検出することだけで十分である。これらの2つの測定された変数および加熱素子の使用だけで十分である。これらの2つの測定された変数および熱抵抗値（これは例えば較正方法において確定できる）の使用により、媒体の温度を調整処理用の実際の変数として算出することができる。

好ましい開発形態では、加熱素子が加熱のための電力を供給されていない期間に、加熱素子の抵抗値が検出される。
この処置には、非常に正確な抵抗測定が可能であるという利点がある。無論、加熱段階で抵抗値を検出すること、または、例えば、ゼロ交差で加熱素子に供給される電圧を検出することも考えられるであろう。

本発明に係る方法の好ましい開発形態では、加熱素子の抵抗値が、抵抗比測定を介して確定される。
この処置には、非常に正確であるという利点がある。
無論、加熱素子の抵抗値を確定するためのやり方はほかにもある。
本発明はまた、本発明に係る機器を較正する方法に関する。本方法は、以下の、
媒体を、ホースを介してポンピングし、ポンプに戻すステップを含み、この処理中に、
スイッチをオフにされた加熱素子の抵抗値、および、ホースの一方の端部にある媒体の温度が、第1の事前設定可能な期間のあとに検出され、
加熱素子がスイッチをオンにされ、
加熱素子の抵抗値および媒体の温度が、第2の事前設定可能な期間のあとに検出され、
加熱素子がスイッチをオフにされ、
加熱素子の抵抗値および媒体の温度が、第3の事前設定可能な期間のあとに検出され、
基準温度での加熱素子の抵抗値、温度係数、および、熱抵抗が、検出された抵抗値および温度に基づき確定される。

すなわち、媒体（例えば水）がまず、回路内でホースを介してポンピングされ、その際、加熱素子は、それ自体が電気的なエネルギーを供給されていないため、媒体の温度を受け取る。第1の事前設定可能な期間のあとに、加熱素子の抵抗値が検出され、循環している媒体の温度が温度センサにより測定される。抵抗値および温度値は第1の値の対を形成する。

次いで、加熱素子が好ましくは最大出力で作動され、それにより流れている媒体が緩やかに加熱される。事前設定可能な期間（例えば7分）のあとに、加熱素子の抵抗値が検出され、媒体の温度が確定される。加熱素子と媒体との間に存在する熱抵抗により、加熱素子の温度が媒体の温度よりも大きいことが予想できる。加熱素子の抵抗値および媒体の測定された温度は、さらなる値の対を形成する。

最後に、加熱素子の温度および媒体の温度が緩やかに同化するように、加熱素子がスイッチをオフにされる。事前設定可能な期間（例えば1分）のあとに、加熱素子の抵抗値が検出され、媒体の温度が測定される。抵抗値および温度はこのようにして、さらなる値の対を形成する。
これらの3つの値の対、特に、例えば25℃の基準温度での加熱素子の抵抗値、温度係数、および、熱抵抗に基づき、異なる変数を算出することができる。

例えば、加熱素子の温度と媒体の測定された温度との間の相違に基づき、および、加熱素子に供給される電力に基づき、熱抵抗を確定することができる。

処理されることになる表面に液体媒体（例えば塗料またはニス）を塗布するためのシステムの模式図を示している。

上記特徴および以下に説明する特徴が、本発明の範囲を逸脱することなしに、明記した組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、または単独でも使用できることを理解されたい。
本発明のさらなる利点および実施形態が、詳細な説明および添付図面により明らかになるであろう。図面は、本発明に係る機器の模式図を示している。

システム全体を参照番号10により示す。
システム10は特に貯蔵容器12を備えており、貯蔵容器12には、処理されることになる媒体（すなわち、塗料またはニス）が貯蔵される。
システム10はさらにポンプ14を備えており、ポンプ14は、取り入れ口側が、パイプ接続またはホース接続を介して貯蔵容器12に接続されている。ポンプ14の送出側はホース16に接続されており、ホース16は、ポンプ14から遠方の端部18が、例えば注入バルブを有している。

これらの連結箇所において、システムのうち、本発明の理解に必要なこれらの構成要素だけが図に示されていることに注意されたい。このようなシステムの作動のために、さらなる部品が提供されることを理解されたい。
貯蔵容器12からポンピングされる媒体を加熱するため、または、上記媒体の温度を維持するために、ホース16に加熱素子が設けられており、加熱素子は図において参照番号20で示されている。加熱素子20はホース16の長さの大きな部分にわたって延びており、それにより、事実上ホース16を介した循環全体の間、媒体に熱を導入することが可能となっている。例えば、加熱素子20は電熱線であってもよく、電熱線は、電圧の印加により、その長さ全体にわたって熱を生成する。

加熱素子20は、参照番号22により示す制御および調整装置の一部である。
制御および調整装置22は、ホース16の端部に送出される媒体が事前設定可能な温度を有するよう、加熱素子20に十分なエネルギーを供給するのに使用される。
制御および調整装置22は交流電圧ネットワークに接続されている。交流電圧ネットワークは、加熱素子20および他の構成要素の両方に、必要なエネルギーを供給する。スイッチ素子24は、制御された仕方で加熱素子20のスイッチをオンおよびオフにし、加熱素子20と直列に配置されている。加熱素子20は、半波長についてのみスイッチがオンにされ、次の半波長の間、再びスイッチがオフにされ、そのようにして、無線妨害および電流の大幅な増加が防止されているのが好ましい。スイッチ素子24は例えばTRIACであってもよい。

制御および調整装置22は制御回路30を有してもいる。制御回路30はスイッチ素子24を制御して、媒体の事前設定可能な温度が達成されるように設計されている。媒体の所望の温度は、例えば、制御回路30に接続された制御素子32を介して調節することができる。くわえて、媒体の温度は、同様に制御回路30に接続されているデジタル表示装置34を介して、ユーザーに表示することができる。

制御回路30自体が制御器（コントローラ）36を有している。制御器36は、電力検出装置38および抵抗検出装置40からのデータを受信する。くわえて、制御器36は、較正値が保存されているメモリ42へのアクセスを有している。
電力検出装置38は、加熱素子20に供給される電力を検出するよう設計されている。
抵抗検出装置40は加熱素子20に接続されており、加熱素子20の抵抗値（オーム抵抗）を検出するのに使用される。抵抗比測定を使用するのが好ましい事例はさまざまである。

システム10は温度測定素子44をも有している。温度測定素子44は、媒体の温度を測定するために、ホース16のポンプ側端部に配置されている。温度測定素子44は制御器36に電気的に接続されている。温度測定素子44は例えばNTC部品であってもよい。
この連結箇所において、制御および調整装置の較正局面で、温度測定素子44のみが使用されることに注意されたい。温度測定素子44により供給される情報は、システム10の通常の動作中に必要とされない。

以下に、媒体の温度を調整するやり方を説明する。調整処理は、加熱素子20とホース16内に配置された媒体との間の熱抵抗R_thをも考慮するという着想に基づいている。この熱抵抗は必ずしも一定である必要はなく、システム固有の変数であり、それは較正方法の最中に算出することができる。これについては以下にさらに詳細に説明する。
システム10の通常の作動中、ホース16を通じてポンピングされる媒体は、加熱素子20を介して加熱される。制御器36は、この目的のためにスイッチ素子24を制御する。しかし、熱抵抗のために、ホース16を通って流れる媒体は、端部において加熱素子20と同じ温度を有していないと考えられる。すなわち、媒体の特定の温度を達成するには、加熱素子20が特定のマージンだけ高い値を有していなければならないと考えられる。

加熱素子20の温度を決定するには、抵抗検出装置40を介して抵抗測定を行う。その際、温度に関して結論を出すために、測定された抵抗値を使用することができる。しかし、この目的のために、例えば25℃の温度用の抵抗基準値、および、加熱素子20の温度係数αが必要である。
式 R(T)＝R(T_ref)・（1+α・ΔT）
を用いて、加熱素子20の固有の抵抗値R(T)に属する温度を確定することができる。これに必要とされるのは、メモリ42に保存されている抵抗値R(T_ref)および温度係数のみである。

加熱素子20の温度が分かっている場合、媒体の温度T_mediumは、熱抵抗R_thおよび加熱素子20に供給される電力を用いて決定することができる。加熱素子20に供給される電力は電力検出装置38により確定される。このための式は以下のとおりである。
T_medium＝T_h−R_th・L
式中、T_hは加熱素子20の温度であり、Lは加熱素子20に供給される電力である。

この関係の結果として、所望の温度T_mediumに到達し、それが維持されるような仕方で、制御器36およびスイッチ素子24を介して電力を制御することができる。
加熱素子20の抵抗は必要なだけ何度でも測定することができる。その際、スイッチ素子24がスイッチをオフにされているときに測定を行うのが好ましい。
上述したように、制御器36は、複数のシステム固有の変数（すなわち、温度係数、基準温度での加熱素子20の抵抗値、および、熱抵抗R_th）を必要とする。これらの3つの変数は、較正方法を使用して確定することができる。

この目的のために、媒体（例えば水）を、ホース16を通じてポンピングし、端部18に存在する媒体をポンプ14の取り入れ口側に再供給し、そのようにして回路を形成する。
温度測定素子44は較正方法中に作動され、ホース16の開始点の媒体の温度を測定する。
例えば約1分間続く第1局面では、媒体はホース16を通じてポンピングされ、その際、加熱素子20はスイッチをオフにされている。この第1局面の終わりに、温度測定素子44を介して媒体の温度が測定され、加熱素子20の抵抗値も測定される。得られた値の対R1、T1が保存される。

本実施形態において7分間続く、次の第2局面では、加熱素子20は最大出力で作動される。この局面の終わりに媒体の温度が再び測定され、加熱素子20の抵抗値も測定される。対応する値の対R3、T3がここでも保存される。くわえて、加熱素子20に供給される電力も検出されて、値Lとして保存される。
例えば1分間続く、次の第3局面では、加熱素子20は再びスイッチをオフにされている。この局面の終わりに、加熱素子20の抵抗および媒体の温度が確定される。結果としての値の対R2、T2がここでも保存される。

抵抗基準値R(T_ref)は、値の対R1、T1およびR2、T2に基づいて決定される。その際、各場合に、媒体は加熱素子20と同じ温度を有すると仮定される。
次いで、同じ仮定に基づき、温度係数αを算出することができる。その際、この目的のために、2つの値の対R1、T1およびR2、T2が使用される。温度係数αは、下記式に基づき算出することができる。
R2＝R1・（1+α・(T2−T1)）
次いで、値の対R3、T3と、加熱素子20に供給されてきた検出された電力とを使用して、熱抵抗R_thを以下のように算出することができる。
R_th＝(T_h3−T3):L
式中、T_h3は、抵抗値R3から明らかな加熱素子の温度である。温度T3は、温度測定素子44により測定された媒体の温度である。

次いで、算出された熱抵抗R_thは、他の算出された変数とともにメモリ42に保存される。基準温度についての抵抗値、加熱素子20の温度係数、および、熱抵抗は、その結果としてメモリ42に保存される。これらの変数は、上述したように、調整処理のために必要である。
全体として、ホース16に沿った温度センサを必要とすることなく、媒体の温度が非常に簡単な仕方で調整できることが、このようにして証明される。くわえて、調整処理に必要な変数はすべて、本発明に係る較正方法により自動的に確定することができる。無論、これらの変数が較正方法を介してメモリ42に自動で保存されず、手動で決定および保存された場合にも、調整処理は機能することになる。

Claims (9)

1. 媒体を調節可能な温度で送出するための機器であって、
   ポンプ（14）と、
   一方の端部が前記ポンプ（14）に接続され、他方の端部が前記媒体の送出のために設けられているホース（16）と、
   前記ホース（16）を通って流れる前記媒体が加熱されるよう、前記ホース（16）の一部に沿って設けられた加熱素子（20）であって、熱抵抗が当該加熱素子（20）と前記媒体との間に存在する加熱素子（20）と、
   前記加熱素子の温度を調節するための回路とを備え、
   前記加熱素子（20）に接続されていて、前記加熱素子（20）の抵抗を検出するように設計された抵抗検出装置（40）と、
   供給された電力を検出するよう前記加熱素子（20）に接続された電力検出装置（38）と、
   基準温度用の前記加熱素子（20）の抵抗値、温度係数、および、前記熱抵抗の値といった較正値が保存される較正値保存装置と、
   前記抵抗検出装置（40）および前記電力検出装置（38）により確定された値に基づき、かつ、前記較正値保存装置に保存された前記熱抵抗の値を考慮して、前記媒体の温度を決定し、前記媒体の確定された温度に従って前記加熱素子（20）の前記温度を調節する制御装置（30）とが設けられていることを特徴とする、機器。
2. 前記加熱素子（20）が、ゼロとかなりの程度異なる温度係数を有する材料で製造されている、請求項1に記載の機器。
3. 前記加熱素子（20）が、半波長制御回路または全波長制御回路を介して、供給電圧を供給され、前記半波長制御回路または全波長制御回路は前記制御回路（30）によって制御される、請求項1または2に記載の機器。
4. 前記熱抵抗の値、温度係数、および、基準温度用の前記加熱素子（20）の抵抗値を決定する較正装置の一部として温度検出装置が設けられており、前記温度検出装置は、前記一方の端部の領域で前記媒体の温度を検出するよう設計されている、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の機器。
5. 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の機器において媒体の温度を制御するための方法であって、
   前記加熱素子（20）の抵抗値を検出するステップと、
   前記抵抗値に対応する加熱素子温度を確定するステップと、
   前記加熱素子（20）に供給される電力を検出するステップと、
   前記加熱素子温度、前記電力、および、前記熱抵抗の値に基づき前記ホース（16）内の前記媒体の温度を算出するステップと、
   前記媒体の前記算出された温度に従って前記加熱素子（20）に供給される電力を調節するステップとを含む、方法。
6. 前記加熱素子（20）が加熱のための電力を供給されていない期間に、前記加熱素子（20）の前記抵抗値が検出される、請求項5に記載の方法。
7. 前記加熱素子（20）の前記抵抗値が、抵抗比測定を介して確定される、請求項5または請求項6に記載の方法。
8. 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の機器を較正するための方法であって、
   前記媒体を、前記ホース（16）を介してポンピングし、前記ポンプ（14）に戻すステップを含み、前記処理中に、
   スイッチをオフにされた前記加熱素子（20）の抵抗値（R1）、および、前記ホース（16）の一方の端部にある前記媒体の温度（T1）が、第1の事前設定可能な期間のあとに検出され、
   前記加熱素子（20）がスイッチをオンにされ、
   前記加熱素子（20）の抵抗値（R3）および前記媒体の温度（T3）が、第2の事前設定可能な期間のあとに検出され、
   前記加熱素子（20）がスイッチをオフにされ、
   前記加熱素子（20）の抵抗値（R2）および前記媒体の温度（T2）が、第3の事前設定可能な期間のあとに検出され、
   例えば25℃の基準温度(T_ref)での前記加熱素子（20）の抵抗値（R(T_ref)）、温度係数（α）、および、熱抵抗（R_th）が、前記検出された抵抗値および温度に基づき確定される、方法。
9. 前記熱抵抗（R_th）が
   R_th＝ΔT/L
   として算出され、式中、ΔTは、前記加熱素子（20）の前記抵抗値（R3）から確定された前記加熱素子（20）の前記温度と前記媒体の測定された温度（T3）との温度差であり、Lは、前記加熱素子（20）に供給される前記電力である、請求項8に記載の方法。

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