JP2749644B2 - 冷却システム - Google Patents

冷却システム

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JP2749644B2 JP17492589A JP17492589A JP2749644B2 JP 2749644 B2 JP2749644 B2 JP 2749644B2 JP 17492589 A JP17492589 A JP 17492589A JP 17492589 A JP17492589 A JP 17492589A JP 2749644 B2 JP2749644 B2 JP 2749644B2
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清司 鈴木
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SHINGIJUTSU JIGYODAN
Sumitomo Electric Industries Ltd
Sumitomo Densetsu Co Ltd
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SHINGIJUTSU JIGYODAN
Sumitomo Electric Industries Ltd
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> この発明は、放電加工、レーザ応用機器、プラズマ応
用機器、精密加工機、及び半導体製造設備等の発熱する
設備を一定温度に冷却する冷却システムに関する。
<従来の技術> 第3図は、従来の冷却システムを示している。この冷
却システムにおいては、設備(100)及び供給槽(200)
を循環する循環路(300)に、上記供給槽(200)から単
位時間当たり一定量の冷却液を循環させることにより、
設備(100)を冷却している。
そして、設備(100)を一定温度に冷却するために、
供給槽(200)及び冷却器(400)を循環する循環路(50
0)に供給槽(200)内の冷却液を循環させて、供給槽
(200)内の冷却液の温度を一定に維持することによ
り、設備(100)に供給される冷却液の温度を一定に維
持するようにしていた。
<考案が解決すようとする課題> このように、上記冷却システムにおいては、設備(10
0)に供給される冷却液の温度を一定にしているので、
設備(100)の発熱量の変動等を外乱の影響によって冷
却能力が変動してしまい、設備(100)の冷却を安定し
て行えないという問題があった。
そこで、上記冷却システムにおいて、例えば設備(10
0)の温度をフィードバックし、この温度と設備(100)
の目標冷却温度との差に基づいて、冷却器(400)の冷
却能力を調節することにより、フィードバック制御を行
うことも考えられる。しかし、上記フィードバック制御
にあっては、外乱の要素もフィードバックされるので、
オーバーシュート等があり、上記の安定した冷却を行え
ないという問題を解決することができない。
この発明の目的は、安定した冷却を行うことができる
冷却システムを提供することである。
<課題を解決するための手段> 上記目的を達成するためのこの発明に係る冷却システ
ムは、発熱する設備に単位時間当たり一定量の冷却液を
送り、当該設備を目標温度Tに冷却する冷却システムに
おいて、上記Tよりも高い温度T1の高温液及びTよりも
低い温度T2の低温液を、下記式(A)で表される比率y
で混合し、温度T3の冷却液として設備へ送ることを特徴
とするものである。
y=x/(1−x) ……(A) ここで、xは下記式(B)で表される。
ただし、Kは系の安定度に応じて設定される値、T4
設備を冷却した後の冷却液の温度である。また、0<x
<1である。
<作用> 上記の構成の冷却システムによれば、高温液と低温液
とを上式(A)で表される混合比yにより混合すること
により、設備を冷却する冷却液の温度を迅速且つ適正に
設定することができる。
さらに詳述すれば、混合比yを決定するxを表す式
(B)の右辺の第1項は、フィードバックワード制御を
行う項であり、当該第1項によって、変化後の状態に最
適と考えられる量を演算することができる。また、式
(B)の右辺の第2項は、フィードバック制御を行う項
である。
すなわち、設備へ送る冷却液の温度T3及び設備を冷却
した後の冷却液の温度T4の平均値(T3+T4)/2によっ
て、設備の温度を代表することとし、この温度(T3
T4)/2と、目標温度Tとの偏差(以下、この偏差をΔT
で表す)に、定数Kを乗じたものを、フィードバック制
御を行うための上記第2項として採用している。
そして、上記設備の温度を代表する温度(T3+T4)/2
が、目標温度Tに収束した場合、 となるが、この式より、 T3=2T−T4 ……(C) 一方、設備へ送る冷却液の温度T3は、 T3=T1x+T2(1−x) で表されるが、この式より、 上記の式(C)及び(D)より、 この(E)で表される値を、フィードフォワード制御を
行うための上記第1項として採用し、最終的に上記式
(B)が得られる。
上記第2項によるフィードバック制御のみで上記xを
制御する場合を想定すると、x=KΔTであるから、Δ
T=x/K(ただし、0<x<1)である。よって、偏差
ΔTを小さくするためにはKが大きい程良い。しかし、
Kが大きくなると、安定度が悪くなって(発振しやすく
なって)、わずかな外乱でハンチングが起きる虞があ
る。
これに対し、本冷却システムにあっては、上記フィー
ドフォワード制御を行う第1項により、好ましいxの値
を予測しておくことにより、フィードバック制御を行う
第2項の負担を軽減することができ、Kの値を小さくす
ることができる。したがって、系の安定度を高めること
ができる。
<実施例> 以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。
第1図はこの発明に係る設備の冷却システムを適用し
た冷却装置(F)の概略構成を示しており、同図におい
て、この冷却装置(F)は、発熱する設備(1)を目標
温度Tに冷却するものであり、目標温度Tよりも高い温
度の高温度を溜めた高温貯液槽(2)と、目標温度Tよ
りも低い温度の低温液を溜めた低温貯液槽(3)と、上
記高温貯液槽(2)からの高温液及び低温貯液槽(3)
からの低温液を混合し、冷却液として設備(1)へ送る
送り路(4)と、該送り路(4)に設けられ、高温度と
低温度の混合比率を可変する第1のバルブ(5)と、該
第1のバルブ(5)を操作する第1の操作手段(6)
と、該第1の操作手段(6)及び後述する第2の操作手
段(9)の作動を制御する制御手段(10)とを主要部と
して有している。
上記冷却液としては、水その他の比熱の大きい液体を
用いる。
また、上記冷却装置(F)には、設備(1)を冷却し
た後の冷却液を高温貯液槽(2)及び低温貯液槽(3)
に分配して戻す戻し路(7)、該戻し路(7)に設けら
れ、高温貯液槽(2)及び低温貯液槽(3)へ戻す冷却
液の分配比率を可変する第2のバルブ(8)、該第2の
バルブ(8)を操作する第2の操作手段(9)、高温液
の温度T1を高温貯液槽(2)と第1のバルブ(5)との
間で検知する第1の温度センサ(11)、低温液の温度T2
を低温貯液槽(3)と第1のバルブ(5)との間で検知
する第2の温度センサ(12)、設備(1)へ送る冷却液
の温度T3を検知する第3の温度センサ(13)、及び設備
(1)を冷却した後の冷却液の温度を検知する温度セン
サ(14)が設けられている。
上記高温貯液槽(2)には、高温液を加熱するヒータ
(15)が設けられている。そして、このヒータ(15)の
発熱量は、第1の調節計(16)によって、第1の温度セ
ンサ(11)による高温液の温度の検出値T1が、目標温度
Tよりもαだけ高い温度、すなわち、T+αとなるよう
にフィードバック制御されている(第2図参照)。
第1図において、上記戻し路(7)は、設備(1)を
冷却した後の冷却液を高温貯液槽(2)に戻す高温側戻
し路(71)と、低温貯液槽(3)に戻す低温側戻し路
(72)に分岐している。この低温側戻し路(72)は、冷
却液を低温貯液槽(3)に直接戻す直接路(73)と、冷
却器(17)を介して戻す間接路(73)とに分岐してい
る。そして、その分岐部分に、直接路(73)及び間接部
(74)へ冷却後の分配比率を調整する第3のバルブ(1
8)と、該第3のバルブ(17)を操作する第3の操作手
段(19)が設けられている。
この第3の操作手段(19)による第3のバルブ(18)
の操作は、第2の調節計(20)によって、上記第2の温
度センサ(12)による低温度の温度の検出値T2が、目標
温度Tよりもβだけ低い温度、すなわちT−βとなるよ
うに、フィードバック制御されている(第2図参照)。
上記βはαに等しく設定しても良く、他の値を採用して
も良い。
上記第1の調節計(16)及び第2の調節計(20)は、
それぞれPID調節計からなり、T,α及びβの値は予め設
定される。α及びβの値の設定は、設備(1)の発熱量
や冷却液の種類等を考慮して行われる。α及びβの値は
等しくてもよく、異ならせても良い。
上記第1のバルブ(5)は混合の比率を可変可能な集
流弁からなり、第2のバルブ(8)及び第3のバルブ
(18)は分配の比率を可変可能な分流弁からなる。上記
第1の操作手段(6)、第2の操作手段(9)、及び第
3の操作手段(19)は、それぞれのバルブ(8)(18)
内の流量調整部を駆動させるステッピングモータ等から
なる。
上記制御手段(10)は、入力部(10a)、演算部(10
b)及び出力部(10c)を有するPID調節計からなる。
上記入力部(10a)は、予め設定した目標温度T、第
1の温度センサ(11)によって検知した高温液の温度
T1、第2の温度センサ(12)によって検知した低温液の
温度T2、第3の温度センサ(13)によって検知した、設
備(1)へ送る冷却液の温度T3、第4の温度センサ(1
4)によって検知した、設備(1)を冷却した後の冷却
液の温度T4、及び系の安定度に応じて設定することので
きるKをデータとして入力する(第1図及び第2図参
照)。
なお、上記Kとして1〜3の範囲の値が設定される。
上記演算部(10b)は、入力部(10a)に入力されたデ
ータを用いて、高温液と低温液との混合比率yを、下記
式(A)に基づいて演算する。
y=x/(1−x) ……(A) ここで、xは下記式(B)で表される。
上記出力部(10c)は、上記演算部(10b)による演算
値yに基づいた出力信号を、上記第1の操作手段(6)
及び第2の操作手段(9)に送る。第1の操作手段
(6)は、上記の出力信号に基づいて、第1のバルブ
(5)を操作する。第2の操作手段(9)は、上記の出
力信号に基づいて、第2のバルブ(8)を操作する。
この実施例によれば、高温貯液槽(2)からの温度T1
の高温液と低温貯液槽(3)からの温度T2の低温液と
が、第1のバルブ(5)によって所望の比率yで混合さ
れ、温度T3の冷却液として送り路(4)を通して設備
(1)に送られる。設備(1)を冷却した後の温度T4
冷却液は、戻し路(7)を通して高温貯液槽(2)及び
低温貯液槽(3)へ、第2のバルブ(8)によって上記
の混合の比率と同じ比率yで分配された状態で戻され
る。このようにして、単位時間当たり一定量の冷却が設
備(1)に循環されるが、上記の混合比率及び分配比率
を同じにしているので、高温貯液槽(2)及び低温貯液
槽(3)の液量は常に一定に保たれる。
そして、上記の冷却液の温度T3が、高温液と低温液の
混合の比率yを調整することにより、適正に保たれる。
すなわち、上記の混合比率yを決定するxを、制御手段
(10)によって、上記式(B)に基づいて演算するが、
上記第1項により、変化後の状態に最適と考えられる値
を予測しておくことにより、上記第2項の負担を軽減す
ることができる。言い換えると、第1項により粗調整、
第2項により微調整を行うわけである。したがって、第
2項はあまり大きな出力を要さず、Kの値を小さくする
ことができる。概ね、Kの値は、第2項のみによって制
御する場合に較べて、約10分の1で良い。したがって、
制御系の安定度を向上することができ、ハンチングを抑
制することができる。
また、設備(1)へ送る冷却液の温度を、高温液と低
温液とを混合することにより設定しているので、迅速且
つ正確に、温度設定を行うことができ、一層迅速且つ適
正な冷却が行える。
さらに、設備へ送る冷却液の温度T3及び設備を冷却し
た後の冷却液の温度T4の平均値(T3+T4)/2によって、
設備の温度を代表することにしているので、設備の温度
を直接測定することが困難な場合や、設備内の温度分布
が一様でない場合等に好適である。
さらには、第1の調節計(15)によって、高温貯液槽
(2)内の高温液の温度をフィードバック制御してお
り、第2の調節計(19)によって、低温貯液槽(3)内
の低温液の温度をフィードバック制御しているので、よ
り一層安定した冷却を行うことができる。
なお、この発明に係る冷却システムは、上記実施例に
限定されるものでなく、例えば、高温貯液槽(2)及び
低温貯液槽(3)の容量が非常に大きい場合には、設備
(1)を冷却した後の冷却液を各貯液槽に戻さず、開い
た系とすることができる。
<試験例> 上記実施例の冷却装置(F)において、下記の条件に
て、発熱量が10000〜25000Kcal/hの範囲で変動する設備
(1)の冷却を行った。
冷却液:水(流量0.0042m3/s) 温度センサ(11)〜(14):白金抵抗式温度センサ 高温貯液槽(2)の容量:0.4m3 ヒータ(14)の定格:24KW 冷却器(16)の冷却能力:43500Kcal/h T,α及びβ:それぞれ40℃,2℃及び2℃ K:2 そして、設備(1)の温度を代表する温度である(T3
+T4)/2を求めたところ、当該温度が40±0.2℃の範囲
にあることが判明し、安定した冷却が行えることを実証
できた。
<発明の効果> 以上のように、この発明に係る冷却システムによれ
ば、高温液と低温液とを混合比yにより混合することに
より、冷却液の温度を迅速且つ適正に設定することがで
き、この適正温度の冷却液によって設備を冷却すること
により、安定した冷却を達成することができるという特
有の効果を奏する。特に、フィードフォワード制御を行
う第1項によって変化後の状態に最適と考えられる混合
比を演算することにより、フィードバック制御を行う第
2項の負担を軽くして、Kの値を小さくすることがで
き、安定した冷却を行うことができる。また、設備の温
度を、設備へ送る冷却液の温度T3及び設備を冷却した後
の冷却液の温度T4の平均値(T3+T4)/2によって代表す
ることとしているので、設備の温度を直接測定すること
が困難な場合や、設備内の温度分布が一様でない場合等
に好適である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の冷却システムを適用した冷却装置を
示す構成図、 第2図はブロック図、 第3図は従来の冷却システムを示す構成図である。 (1)……設備、(2)……高温貯液槽、 (3)……低温貯液槽、(4)……送り路、 (5)……第1のバルブ、(6)……第1の操作手段、 (10)……制御手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 清司 大阪府大阪市福島区福島7丁目22番8号 住友電設株式会社営業本部内 (56)参考文献 特開 昭61−208522(JP,A) 特開 昭60−168219(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発熱する設備に単位時間当たり一定量の冷
    却液を送り、当該設備を目標温度Tに冷却する冷却シス
    テムにおいて、上記Tよりも高い温度T1の高温液及びT
    よりも低い温度T2の低温液を、下記式(A)で表される
    比率yで混合し、温度T3の冷却液として設備へ送ること
    を特徴とする冷却システム。 y=x/(1−x) ……(A) ここで、xは下記式(B)で表される。 ただし、Kは系の安定度に応じて設定される値、T4は設
    備を冷却した後の冷却液の温度である。また、0<x<
    1である。
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