特許 7147124 温度調節計及び温度調節方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-27

(45)【発行日】2022-10-05

(54)【発明の名称】温度調節計及び温度調節方法

(51)【国際特許分類】

   G05D 23/00 20060101AFI20220928BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

G05D23/00 H

G05B11/36 K

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022504836

(86)(22)【出願日】2020-03-04

(86)【国際出願番号】 JP2020009106

(87)【国際公開番号】W WO2021176589

(87)【国際公開日】2021-09-10

【審査請求日】2022-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000250317

【氏名又は名称】理化工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088605

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 公延

(74)【代理人】

【識別番号】100101890

【弁理士】

【氏名又は名称】押野 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100098268

【弁理士】

【氏名又は名称】永田 豊

(74)【代理人】

【識別番号】100130384

【弁理士】

【氏名又は名称】大島 孝文

(74)【代理人】

【識別番号】100166420

【弁理士】

【氏名又は名称】福川 晋矢

(74)【代理人】

【識別番号】100150865

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 司

(72)【発明者】

【氏名】高橋 洸太

(72)【発明者】

【氏名】石渡 一真

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 賢一

(72)【発明者】

【氏名】大久保 敦

【審査官】松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０８５７８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０８４１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－７３１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－３７１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０８７９１０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ ２３／００

Ｇ０５Ｂ １１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

目標温度及び温度制御対象の測定温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御する温度調節装置であって、
前記測定温度が、前記温度制御対象の複数の箇所から取得され、
前記温度制御対象の定常状態として許容される定常温度範囲の上限値及び下限値と、前記目標温度とのそれぞれの差分値の比率を算出し、
同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最大値と前記目標温度との差分値と、前記同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最小値と前記目標温度との差分値と、前記比率と、に基づき、当該タイミングにおける疑似測定値を算出し、
前記疑似測定値及び前記目標温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御することを特徴とし、
前記疑似測定値が、以下の式により算出され、
ＰＶ’＝Ｂ×（ａ－ｂ）／Ａ＋ｂ
上記式において、ＰＶ’は前記疑似測定値、Ａは前記定常温度範囲の上限値と前記目標温度との差分値、Ｂは前記定常温度範囲の下限値と前記目標温度との差分値、ａは前記測定温度の最大値、ｂは前記測定温度の最小値である、温度調節計。

【請求項2】

前記測定温度の最大値と、前記測定温度の最小値との差分が、前記定常温度範囲の上限値と前記定常温度範囲の下限値との差分よりも大きい場合に警報を出力する、請求項１に記載の温度調節計。

【請求項3】

前記測定温度の最大値が、前記定常温度範囲の上限値を超えている場合に警報を出力する、請求項１又は２に記載の温度調節計。

【請求項4】

演算部及び制御部を備える温度調節計によって、目標温度及び温度制御対象の測定温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御する温度調節方法であって、
前記測定温度が、前記温度制御対象の複数の箇所に設置されたセンサから取得され、
前記温度制御対象の定常状態として許容される定常温度範囲の上限値及び下限値と、前記目標温度とのそれぞれの差分値の比率が前記演算部により算出され、
同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最大値と前記目標温度との差分値と、前記同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最小値と前記目標温度との差分値と、前記比率と、に基づき、当該タイミングにおける疑似測定値が前記演算部により算出され、
前記疑似測定値及び前記目標温度に基づき前記温度制御対象の温度が前記制御部により制御されることを特徴とし、
前記疑似測定値が、以下の式により算出され、
ＰＶ’＝Ｂ×（ａ－ｂ）／Ａ＋ｂ
上記式において、ＰＶ’は前記疑似測定値、Ａは前記定常温度範囲の上限値と前記目標温度との差分値、Ｂは前記定常温度範囲の下限値と前記目標温度との差分値、ａは前記測定温度の最大値、ｂは前記測定温度の最小値である、温度調節方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、温度調節計及び温度調節方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

恒温槽のように、１つの負荷を制御することで槽全体の温度を制御する制御対象が存在する。このような制御対象の場合、ヒータ等の負荷が存在する箇所の温度が目標温度付近で安定し定常状態となったとしても、負荷から離れた位置における温度が目標範囲から外れてしまっている場合がある。特に環境試験等の用途においては全ての箇所が目標温度範囲に入っていることが重要となるため、複数点の温度センサを入力として、全体の温度が目標範囲に収まるように制御を行う必要がある。
複数の温度センサを入力として制御する先行技術文献として、特許文献１には電子レンジの温度制御方法、特許文献２には乾燥機の温度制御方法が開示されている。

【0003】

従来、このような場合には、手作業にて対象箇所の温度を確認しながら、さらに加熱や冷却を続けることで、全てのモニタ箇所の温度が目標範囲に収まるように調整していた。
このような調整をある程度自動化するために、非特許文献１には、目標値はそのままに、事前に設定した温度だけ加減（バイアス）した測定値、即ち「疑似測定値」を利用する機能である、「ＰＶバイアス機能」が開示されている。このように疑似測定値を使用して制御を実施することで、全てのモニタ箇所の温度が目標範囲に収まりやすくする機能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１１－１７３５５９号公報

【文献】特開２００３－２２２４７０号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｒｋｃｉｎｓｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｇｌｏｓｓａｒｙ／７６１６／ （２０１９年１２月２３日取得）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしこのＰＶバイアス機能において、バイアスとして設定する温度については１度定常状態まで制御を実施し、目標範囲に到達していない箇所と熱源の位置関係等を考慮してユーザの手により適切な値を設定する必要があった。そのため、この機能を使用して適切に制御ができるかどうかについては、ユーザの経験や感覚に大きく依存しており、また、設定が煩雑であるため自動化が望まれていた。

【0007】

本発明は上記の点に鑑み、制御対象の全てのモニタ箇所の温度が目標範囲に収まるように自動的に制御を行うことのできる、温度調節計及び温度調節方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（構成１）
目標温度及び温度制御対象の測定温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御する温度調節装置であって、
前記測定温度が、前記温度制御対象の複数の箇所から取得され、
前記温度制御対象の定常状態として許容される定常温度範囲の上限値及び下限値と、前記目標温度とのそれぞれの差分値の比率を算出し、
同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最大値と前記目標温度との差分値と、前記同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最小値と前記目標温度との差分値と、前記比率と、に基づき、当該タイミングにおける疑似測定値を算出し、
前記疑似測定値及び前記目標温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御することを特徴とする温度調節計。

【0009】

（構成２）
前記疑似測定値が、以下の式により算出され、
ＰＶ’＝Ｂ×（ａ－ｂ）／Ａ＋ｂ
上記式において、ＰＶ’は前記疑似測定値、Ａは前記定常温度範囲の上限値と前記目標温度との差分値、Ｂは前記定常温度範囲の下限値と前記目標温度との差分値、ａは前記測定温度の最大値、ｂは前記測定温度の最小値である、構成１に記載の温度調節計。

【0010】

（構成３）
前記測定温度の最大値と、前記測定温度の最小値との差分が、前記判定上限値と前記判定下限値との差分よりも大きい場合に警報を出力する、構成１又は２に記載の温度調節計。

【0011】

（構成４）
前記測定温度の最大値が、前記定常温度範囲の上限値を超えている場合に警報を出力する、構成１から３のいずれかに記載の温度調節計。

【0012】

（構成５）
演算部及び制御部を備える温度調節計によって、目標温度及び温度制御対象の測定温度に基づき前記温度制御対象の温度を制御する温度調節方法であって、
前記測定温度が、前記温度制御対象の複数の箇所に設置されたセンサから取得され、
前記温度制御対象の定常状態として許容される定常温度範囲の上限値及び下限値と、前記目標温度とのそれぞれの差分値の比率が前記演算部により算出され、
同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最大値と前記目標温度との差分値と、前記同一のタイミングで取得された複数の測定温度の最小値と前記目標温度との差分値と、前記比率と、に基づき、当該タイミングにおける疑似測定値が前記演算部により算出され、
前記疑似測定値及び前記目標温度に基づき前記温度制御対象の温度が前記制御部により制御されることを特徴とする温度調節方法。

【発明の効果】

【0013】

本発明の温度調節計及び温度調節方法によれば、制御対象の全てのモニタ箇所の温度が目標範囲に収まるように自動的に制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る実施形態の温度調節計を示す概略構成図である。

【図2】従来手法と本発明に係る手法との関係を説明した概念図である。

【図3】本発明に係る実施形態１の温度調節計の動作を説明したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

【0016】

＜実施形態＞
図１はこの発明の実施形態による温度調節計の本発明に関する部分を示す概略構成図である。
温度調節計１００は、温度制御対象２２０を測温する複数のセンサ２３１～２３Ｎにおける測定値（ＰＶ）及び事前に設定された目標値（ＳＶ）に基づき負荷２１０を制御する装置であり、後述する疑似測定値の算出等を行う演算部１２０と、ＰＶ及び目標値ＳＶに基づき負荷への出力を制御する制御部１１０を備える。
なお、本実施形態においては制御部１１０における制御手法についてはＰＩＤ制御、温度制御対象２２０は恒温槽、負荷２１０はヒータ、センサ２３１～２３Ｎについては熱電対等の測温センサであるものとする。
また、本実施形態においては図１に記載のように、熱源は１つであり、複数のセンサが温度制御対象の種々の箇所に設置され、該当箇所の温度をモニタするように構成されている。
また、本実施形態においては目標値ＳＶ及び制御対象の定常状態時に許容される温度範囲は入力部（不図示）等により事前に設定されるものとする。

【0017】

＜従来手法＞
図２は、従来の制御結果と、本発明の制御結果との関係を説明するための概念図である。
図２上段に示すグラフは、従来手法である通常のＰＩＤ制御結果を示す概念図である。グラフの横軸は時間、縦軸は温度を示し、太線の結果は最も熱源に近い箇所（測定点）の測定値（ＰＶ）を示しており、ＳＶは目標値である。
また、ＰＶの上側の細線は複数のセンサ測定値のうち最大値ａを示す線であり、ＰＶの下側の細線は複数のセンサ測定値のうち最小値ｂを示す線である。また、上下の破線は、定常状態時に許容される温度範囲である定常温度範囲の上限値と下限値を示している。
このように、測定点は定常状態となったにも関わらず、その他の箇所においては定常温度範囲から外れてしまっている場合がある。

【0018】

図２下段は本手法を使用した場合の制御結果であり、後述する疑似測定値ＰＶ’が目標値ＳＶとなるように制御した場合の概念図であり、全ての箇所において定常温度範囲に収まっていることがわかる。

【0019】

＜本発明の手法＞
以下、図２を参照しつつ、本手法の詳細について説明する。
まず、事前に設定された、定常状態おいて許容される温度範囲である定常温度範囲の上限値及び下限値と、ＳＶとの差分値をそれぞれ算出する。図２では上限値とＳＶとの差分値をＡ、下限値とＳＶとの差分をＢとしている。

【0020】

次に、同一のタイミングで取得した測定値のうち、最大値と最小値を記録する。なお、同一のタイミング、とは厳密に同一でなくともよく、多少の遅延等のマージンを持たせた概念であるものとする。図２では最大値をａ、最小値をｂとしている。

【0021】

次に、ＡとＢとの比率を用いて、見かけ上のＰＶである疑似測定値ＰＶ’を算出する。最大値ａと最大値ｂとＰＶ’とのそれぞれの差分の比率が、ＡとＢとの比率となるようにＰＶ’を設定する。
具体的には、以下の式１のようにＰＶ’を設定する。
（式１）
ＰＶ’＝Ｂ×（ａ－ｂ）／Ａ＋ｂ

【0022】

このように疑似測定値ＰＶ’を算出し、ＰＶ’を現在の測定値として制御部に入力して制御することで、定常温度範囲の上限値下限値と、目標値との比率の関係を維持したまま制御することができるため、全ての箇所が定常範囲に入るように制御をすることが可能となる。

【0023】

＜警報機能＞
なお、恒温槽のような制御対象においては制御する対象によって定常温度範囲を設定することが重要であり、適切に定常温度範囲が設定されていない場合、所望の結果を得られない場合がある。例えば、定常温度範囲の上限値が低すぎてしまい、ある箇所の測定値が定常温度範囲の上限値を超えてしまう場合が考えられる。この場合、それ以上の加熱をすることができないため、本手法を使用するこができない。このような場合は、定常温度範囲の設定が誤っている可能性が高い。
また、測定値の最大値と最小値の差が、定常温度範囲の幅よりも大きい場合は、定常状態となった場合に定常温度範囲には収まらない可能性がある。
そのため、このような場合にはユーザに定常温度範囲の見直しや、熱源の位置、撹拌装置の調整等を促す警報を出力することで対応する。
本実実施形態においては最大値と最小値の差が、定常温度範囲の幅よりも大きい場合を警報の判定基準とする。

【0024】

＜動作＞
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、実施形態１の温度調節計１００の本発明に関する処理動作について説明する。
なお、図３の処理におけるスタート～エンドの期間については、温度調節計を用いて、恒温槽の制御開始から定常状態までの、所謂、立ちあがり期間を想定して、以下説明する。

【0025】

まず、制御が開始され、Ｓ３１０にて全てのセンサ（ＣＨ）２３１～２３Ｎから測定値を取得する。定常温度範囲（上限値及び下限値）と目標値ＳＶについては入力部等（不図示）により温度調節計１００に入力される。また、定常温度範囲及びＳＶが入力されると、演算部１２０が疑似測定値を算出するための比率（上記式１におけるＢ／Ａ）を算出する。

【0026】

次にＳ３２０にて、演算部１２０が測定値の最大値ＰＶｍａｘと、測定値の最小値ＰＶｍｉｎの差分値ＰＶｍａｘ－ＰＶｍｉｎを設定する。そして、この差分値が定常温度範囲の幅（上限値－下限値）以下であるかどうかを判定する。ＰＶｍａｘ－ＰＶｍｉｎが定常温度範囲の幅より大きかった場合、定常温度範囲の設定や、熱源の位置等に問題があるものとして、Ｓ３３０へと移行する（Ｓ３２０：ＮＯ→Ｓ３３０）。Ｓ３３０において、温度調節計１００はディスプレイ等の外部装置（不図示）へと設定に異常があるため、調整が必要である旨の警報を出力し、Ｓ３４０へと移行する。

【0027】

一方、ＰＶｍａｘ－ＰＶｍｉｎが定常温度範囲の幅以下であった場合、定常温度範囲の設定等が正常であるものとして、Ｓ３４０へと進む（Ｓ３２０：ＹＥＳ→Ｓ３４０）。
Ｓ３４０では演算部１２０が、同一のタイミングで取得した測定値の最大値、最小値、および定常温度範囲と目標値との差分の比率に基づき疑似測定値ＰＶ’を算出する。具体的には上記の式１に基づき疑似測定値ＰＶ’を算出する。
そして、演算部１２０は疑似測定値ＰＶ’を制御部１１０にＰＶとして出力し、Ｓ３５０に移行する。

【0028】

Ｓ３５０において、制御部１１０が疑似測定値ＰＶ’及び目標値ＳＶに基づき定常状態にあるかどうかの判断を行う。定常状態でない場合は、引き続き制御を行いＳ３１０へと移行し、以下ループ動作となる（Ｓ３５０：ＮＯ→Ｓ３１０）。
一方、定常状態である場合、立ち上げ制御については終了とする（Ｓ３５０：Ｙｅｓ→エンド）。
本実施形態及び図３においては立ち上げ制御の処理の説明のため、便宜上、定常状態となった場合に処理を終了することとしているが、定常状態になった場合であっても、引き続き計算処理を実施するように構成されていてもよい。その場合、電源を切る等、温度調節計１００の動作が実質的に停止するまで処理を実施するように構成される。

【0029】

＜効果＞
以上のように、本実施形態１の温度調節計１００によれば、定常温度範囲の上限値下限値と、目標値との比率の関係を維持したまま制御することができるため、制御対象の全てのモニタ箇所の温度が定常温度範囲に収まるように、自動的に制御を行うことができる。
また、測定値の最大値最小値の幅が、事前に設定された定常温度範囲よりも大きい場合に警報が出力されるように構成されているため、本手法が適用できない条件設定であった場合に、ユーザに対して定常温度範囲や制御環境の調整を促すことができる。

【0030】

＜その他の構成＞
本実施形態においては負荷がヒータである場合についての温度調節計１００の動作を説明したが、負荷がペルチエ素子等の熱交換素子（その場合、制御対象は恒温槽ではなく冷却庫）である場合でも同様に本手法を使用することができる。その場合、警報出力の条件判断の一部の態様については、警報出力の基準が負荷がヒータである場合と逆に設定される。例えば、測定最小値が、定常温度範囲の下限値を下回っていた場合に警報が出力される。

【0031】

また、本実施形態にでは制御部１１０がＰＩＤ制御を実施する場合を例にとって説明したが、現在の測定値を使用して制御を行うものであればよく、任意のフィードバック制御を使用して制御するように構成されていてもよい。

【0032】

また、本実施形態では演算部１２０が、定常温度範囲及びＳＶが入力されたタイミングで、疑似測定値ＰＶ’を算出するための比率（上記式１におけるＡ及びＢ）を算出するように構成されていたが、疑似測定値ＰＶ’の算出までの任意のタイミングで算出するように構成されていてもよい。

【0033】

また、本実施形態における温度調節計は、測定値の最大値ＰＶｍａｘと、測定値の最小値ＰＶｍｉｎの差分値ＰＶｍａｘ－ＰＶｍｉｎが定常温度範囲の幅以下であるかどうかの判定により警報を出力するように構成されていたが、これに限られるものではない。例えば、ＰＶｍａｘのみ、又はＰＶｍｉｎのみが定常温度範囲の上限値を超えている場合や定常状態になったにも関わらず、ＰＶｍａｘ及びＰＶｍｉｎの両者が定常温度範囲の下限値を下回っている場合等に警報を出力するように構成されていてもよい。このように構成されていることにより、種々の制御の条件に合わせて、本手法が使用可能となるように制御環境を調整するよう、ユーザに促すことができる。

【0034】

なお、上記各実施形態における各構成は、それぞれ専用回路等でハード的に構成されるものであってもよいし、マイコン等の汎用的な回路上でソフトウェア的に実現されるものであってもよい。

【0035】

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成及び動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解しうる様々な変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0036】

１００…温度調節計
１１０…切換処理部
１２０…出力部
２１０…負荷
２２０…温度制御対
２３１～２３Ｎ…センサ

【図1】

【図2】

【図3】