JP5286324B2

JP5286324B2 - 加熱・冷却温度制御装置

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Publication number: JP5286324B2
Application number: JP2010103877A
Authority: JP
Inventors: 恭一 ▲えび▼澤; 秀幸鈴木; 好市浦野; 規男反町; 敏行金井; 武史東宮; 裕太松村
Original assignee: 関東精機株式会社
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011232002A

Description

この発明は、工作機械などの温度制御対象を加熱あるいは冷却して目標温度に維持制御するための加熱・冷却温度制御装置に関する。詳しくは、加熱制御と冷却制御との相互間の移行時に不連続を生じることなく連続的で高精度かつ高効率の温度制御を行うことができる加熱・冷却温度制御装置に関する。

工作機械や半導体製造装置をはじめとする産業機械は、製品の高精度化や高生産性を目的として高度に精密な温度管理が必要となってきている。このためには水、油、空気などの熱媒体に対して高精度の温度制御を行う温度制御装置が必要である。また、このような温度制御装置には、温度制御の高精度化だけでなく、環境保護の観点から高いエネルギー効率（低エネルギー消費）も求められている。高効率の温度制御を実現するものとしては、冷凍サイクル（ヒートポンプ）を利用した温度制御装置がある。

ヒートポンプを利用して温度制御対象の加熱および冷却を行い、温度制御対象を目標温度に維持する温度制御装置としては、下記の特許文献１、特許文献２に記載されたようなものがある。特許文献１には、圧縮機からの高温熱媒体を三方弁によって加熱器側と冷却器側に分配し、温度制御対象の空気を加熱器で加熱するとともに冷却器で冷却して、空気の連続的な温度制御を行う温度調整装置が記載されている。また、特許文献２には、圧縮機からの高温熱媒体を２つの二方弁によって加熱器側と冷却器側に分配し、温度制御対象の冷却液を加熱器で加熱するとともに冷却器で冷却して、冷却液の連続的な温度制御を行う温度調整装置が記載されている。

特許文献１、特許文献２に記載されたような温度制御装置は、温度制御対象の加熱と冷却を同時に行っており、エネルギー効率の観点からは必ずしも好ましいものではない。エネルギー効率の観点からは、加熱と冷却のいずれか一方のみを温度制御対象に施すようにした方が消費エネルギーを低減させることができ好ましい。しかし、そのためには温度制御対象や熱媒体の流路を切り換えて、加熱動作と冷却動作を切り換える必要がある。

特開２００８−３０９４６５号公報特開２００９−９２２７１号公報

前述のように、特許文献１や特許文献２の温度制御装置は、温度制御対象の加熱と冷却を同時に行うものであるため、エネルギー効率が低下してしまうという問題点があった。また、温度制御対象の加熱と冷却を同時に行うため、熱交換器の数が増加して温度制御装置全体が大型化し重量も増加してしまうという問題点があった。そのため温度制御装置の製造コストも増加してしまう。

また、温度制御装置の温度制御対象や熱媒体の流路を切り換えて、加熱動作と冷却動作を切り換えるようにすることもできるが、そのような構成では加熱動作と冷却動作との移行に制御動作の不連続が生じてしまう。この制御動作の不連続により温度制御対象の温度が安定せず、温度制御の精度が低下してしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、工作機械などの温度制御対象を加熱あるいは冷却して目標温度に維持制御するための加熱・冷却温度制御装置であって、加熱制御と冷却制御との相互間の移行時にも温度制御に不連続を生じることなく連続的で高精度かつ高効率の温度制御を行うことができる加熱・冷却温度制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の加熱・冷却温度制御装置は、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液化するための凝縮器と、液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁と、加熱または冷却による温度制御対象との熱交換を行う熱交換器と、前記凝縮器と前記膨脹弁とを連結するとともに前記膨脹弁と前記熱交換器とを連結し、前記凝縮器に接続する第１端部と前記熱交換器に接続する第２端部のいずれか一方から他方に前記冷媒ガスを循環させる循環路と、前記圧縮機により圧縮加熱された前記冷媒ガスを前記循環路の前記第１端部または前記第２端部のいずれかに選択的に供給可能であるとともに、前記圧縮機から吐出された前記冷媒ガスの一部または全部をバイパスして前記圧縮機の吸入側に戻すことにより前記冷媒ガスの循環量を調整可能な循環調整部と、前記温度制御対象の温度が目標値となるように、前記循環調整部による前記冷媒ガスの循環方向および循環量を制御するとともに、前記圧縮機の回転速度および前記膨脹弁の開度を制御する温度制御部とを有するものである。

また、上記の加熱・冷却温度制御装置において、前記循環調整部は、前記圧縮機の吐出側と前記循環路の前記第１端部とを接続する第１流量制御弁と、前記圧縮機の吐出側と前記循環路の前記第２端部とを接続する第２流量制御弁と、前記圧縮機の吸入側と前記循環路の前記第１端部とを接続する第３流量制御弁と、前記圧縮機の吸入側と前記循環路の前記第２端部とを接続する第４流量制御弁とを含むものとすることができる。

また、上記の加熱・冷却温度制御装置において、前記循環調整部は、前記圧縮機の吐出側からの前記冷媒ガスを前記循環路の前記第１端部と前記第２端部に任意の比率で分配する第１三方弁と、前記冷媒ガスを前記循環路の前記第１端部と前記第２端部から前記圧縮機の吸入側へ任意の比率で吸入する第２三方弁とを含むものとすることができる。

また、上記の加熱・冷却温度制御装置において、前記循環調整部は、前記圧縮機の吐出側または吸入側の一方を前記循環路の前記第１端部と前記第２端部に接続する２つの流量制御弁と、前記圧縮機の吐出側または吸入側の他方を前記循環路の前記第１端部と前記第２端部に接続する２つの電磁開閉弁とを含むものとすることができる。

また、上記の加熱・冷却温度制御装置において、前記循環調整部は、前記圧縮機の吐出側および吸入側を前記循環路の前記第１端部と前記第２端部のいずれか一方に接続する２つの流量制御弁と、前記圧縮機の吐出側および吸入側を前記循環路の前記第１端部と前記第２端部の他方に接続する２つの電磁開閉弁とを含むものとすることができる。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

本発明の温度制御装置により、最大加熱から最大冷却までの全域にわたり、連続的な高精度の温度制御が可能となる。加熱動作と冷却動作の切り換え点、加熱動作（強）と加熱動作（弱）の切り換え点、および冷却動作（弱）と冷却動作（強）の切り換え点のいずれの点においても温度制御に不連続が生じることはなく、制御領域の全域で高精度の温度制御が可能である。また、加熱および冷却は高効率のヒートポンプ方式によって行われ、加熱および冷却の一方のみを温度制御対象に施すため、温度制御におけるエネルギー効率が大幅に向上する。

本発明の工作機械の温度制御装置１の構成を示す図である。温度制御装置１の制御方法を示す図である。第２の形態の循環調整部の構成を示す図である。第３の形態の循環調整部の構成を示す図である。第４の形態の循環調整部の構成を示す図である。第３の形態の循環調整部の場合の制御方法を示す図である。温度制御装置１の制御特性の実測値を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の温度制御装置１の構成を示す図である。温度制御装置１は、流体流通路４を流通する水、油、空気などの流体の温度を所定の目標値に制御するための装置である。温度制御対象である流体はポンプ４１により加圧されて、流体流通路４内を流通させられている。温度制御対象の流体は、例えば、工作機械の機体等を一定の温度に維持するための冷却液であったり、半導体製造装置の環境温度を一定に維持するための空気であってもよい。

温度制御対象の流体は、熱交換器８により加熱または冷却されて所定の目標値となるように制御される。熱交換器８に流入する前の流体の温度は温度検出器４２によって検出され、熱交換器８から流出した流体の温度は温度検出器４３によって検出されている。さらに、温度検出器４２，４３以外にも工作機械や半導体製造装置の機体の温度を検出する温度検出器や、装置が置かれている空間の室温を検出する温度検出器を設けるようにしてもよい。また、温度検出器は必ず２つ必要なわけでもなく、温度検出器４２，４３のいずれか一方だけでもよい。

この温度制御装置１は、圧縮機５によって圧縮して高温となった冷媒ガスを、循環方向および循環量を変更制御して循環路２に循環させ、温度制御対象の流体の加熱または冷却を行うものである。弁調整部３０および流量制御弁３１〜３４が循環調整部を構成し、この循環調整部により冷媒ガスの循環方向および循環量を変更制御するのである。弁調整部３０は流量制御弁３１〜３４のそれぞれの開度を任意の値に設定可能である。また、弁調整部３０の開度設定値は温度制御部１０によって設定される。

まず、温度制御装置１が冷却動作（強）を行う場合について説明する。流量制御弁３１，３４は全開状態とし、流量制御弁３２，３３は全閉状態とする。圧縮機５によって圧縮して高温となった冷媒ガスは、流量制御弁３１から循環路２の第１端部２１に導入される。冷媒ガスは、循環路２を通り凝縮器６に送られる。凝縮器６では、圧縮されて温度上昇した冷媒ガスの熱が放熱されて液化される。凝縮器６は冷却ファン６１によって空冷により冷却されている。

液化された冷媒ガスは、さらに膨張弁７を通る際に絞り膨張されて低温低圧の気液混合状態となる。この低温低圧の気液混合の冷媒ガスが熱交換器８に流入して、温度制御対象の流体を冷却するのである。冷媒ガスは熱交換器８中で流体の熱を奪って気化し、気化熱により効率よく流体を冷却する。熱交換器８から流出した冷媒ガスは、循環路２の第２端部２２から流量制御弁３４を通って圧縮機５に戻る。

冷却能力の変更制御は、圧縮機５の回転速度と膨張弁７の開度を制御して行っている。圧縮機５は、インバータ駆動を行う駆動部５１によって駆動されている。駆動部５１は、インバータ駆動周波数を変更することにより圧縮機５の回転速度を連続的に変更することができる。これにより温度制御装置１の冷却能力を変更制御できる。圧縮機５の駆動周波数は温度制御部１０によって制御されている。温度制御部１０の具体的な制御内容は後述する。

また、膨張弁７の開度は圧縮機５の回転速度に連動して制御される。膨張弁７の開度ｙは、圧縮機５を駆動するインバータ周波数ｘに対して一対一に対応する関係となるように制御される。例えば、開度ｙは１次の関係式ｙ＝ａｘ＋ｂに従って制御される。ここで、ａ，ｂは定数である。定数ａ，ｂは、圧縮機５の容量や特性などに応じて適宜の値に設定されるものである。なお、膨張弁７は、ステッピングモータ駆動により弁体を移動させ、弁の開度を調整可能なものである。このため、デジタル値の開度指令により膨張弁７の開度を調整することができる。

温度制御部１０は、圧縮機５の駆動周波数、膨張弁７の開度、および流量制御弁３１〜３４の開度を制御して、温度制御装置１の加熱・冷却能力を変更し、温度検出器４２，４３の検出値に基づいて温度制御対象の流体の温度が所定の目標値に一致するようにフィードバック制御を行う。温度制御部１０が比較的強い冷却動作を行う場合には、前述のように、流量制御弁３１，３４を全開状態、流量制御弁３２，３３を全閉状態として、圧縮機５の駆動周波数と膨張弁７の開度により冷却能力の変更を行う。

次に、温度制御装置１が加熱動作（強）を行う場合について説明する。この場合、流量制御弁３１，３４は全閉状態とし、流量制御弁３２，３３は全開状態とする。圧縮機５によって圧縮して高温となった冷媒ガスは、流量制御弁３２から循環路２の第２端部２２に導入される。冷媒ガスは、循環路２を通り熱交換器８に送られ、さらに、膨張弁７、凝縮器６、流量制御弁３３を通って圧縮機５に戻る。すなわち、加熱動作（強）の場合は、冷媒ガスの循環路２における循環方向が冷却動作（強）とは逆になる。

この場合、熱交換器８が冷媒ガスを凝縮する作用を行い、凝縮器６は周囲の外気を冷却する作用を行う。熱交換器８では、圧縮されて温度上昇した冷媒ガスの熱が温度制御対象の流体に放熱されて冷媒ガスが液化される。すなわち、温度制御対象の流体は冷媒ガスによって加熱される。加熱能力の変更制御は、冷却能力の変更と同様に、圧縮機５の回転速度と膨張弁７の開度を連動して制御することにより行っている。

このように、温度制御装置１の加熱・冷却能力の変更制御は、圧縮機５の回転速度の変更制御を伴う。一般的に、インバータ駆動の冷凍サイクルにおける加熱・冷却能力の変更範囲は、圧縮機のインバータ駆動の最低周波数と最高周波数の比で１：４程度である。特に、低負荷領域でインバータ駆動の周波数を低下させすぎると、圧縮機の安定した機能が得られなくなる。したがって、インバータ駆動の周波数による制御だけでは、特に低負荷領域での加熱・冷却能力の可変範囲の限界により、低負荷領域での温度制御の精度が悪化してしまう。

そこで、本発明では、低負荷領域での加熱・冷却能力の変更制御は、圧縮機５の回転速度を最低値に固定するとともに、膨張弁７の開度もその回転速度に応じた値に固定し、流量制御弁３１〜３４のそれぞれの開度を制御して加熱・冷却能力の変更を行うようにしたものである。

温度制御部１０は、高負荷領域の冷却動作（強）および加熱動作（強）においては、前述のように流量制御弁３１〜３４の２つを全開状態、残りを全閉状態とし、圧縮機５の回転速度と膨張弁７の開度を連動して制御することにより加熱・冷却能力の変更制御を行う。低負荷領域での冷却動作（弱）および加熱動作（弱）においては、圧縮機５の回転速度を最低値に固定するとともに膨張弁７の開度も固定し、流量制御弁３１〜３４のそれぞれの開度を制御して加熱・冷却能力の変更を行う。

図２に、以上の加熱・冷却能力の変更制御の制御内容を示す。図２（ａ）〜（ｃ）において、横軸は温度制御部１０の行う温度制御の操作量を示しており、最大の加熱を行う最大加熱点Ｈ_max から最大の冷却を行う最大冷却点Ｃ_max までを連続的な数値（例えば、０〜１００）によって表したものである。中立点Ｎでは加熱も冷却も行わない。

前述のような、圧縮機５の最低回転速度に対応するのが加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v であり、これらの加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v の間では加熱動作（弱）および冷却動作（弱）の制御が行われ、それ以外では加熱動作（強）および冷却動作（強）の制御が行われる。すなわち、加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v の間では、流量制御弁３１〜３４のそれぞれの開度の変更によって加熱・冷却能力の変更制御が行われる。

図２（ａ）は、操作量と流量制御弁３１〜３４の開度の関係を示す図である。図の縦軸は流量制御弁３１〜３４の開度である。弁開度は数値０〜１００で表されており、開度０が全閉状態、開度１００が全開状態を表している。流量制御弁３１，３４の開度は太実線で示され、流量制御弁３２，３３の開度は太点線で示されている。図示のように、最大加熱点Ｈ_max から圧縮機５の最低回転速度に対応する加熱点Ｈ_v までは、流量制御弁３１，３４は全閉状態とし、流量制御弁３２，３３は全開状態としている。

圧縮機５の最低回転速度に対応する加熱点Ｈ_v から冷却点Ｃ_v までは、流量制御弁３１，３４は全閉状態から全開状態に直線的に開度を増加させ、流量制御弁３２，３３は全開状態から全閉状態に直線的に開度を減少させる。圧縮機５から吐出された冷媒は、流量制御弁３１，３２の開度の大きい側から循環路２に流入し、循環路２の他端側から圧縮機５に戻る。

加熱点Ｈ_v から中立点Ｎまでは、冷媒が第２端部２２から循環路２に流入し、第１端部２１から圧縮機５に戻る。その冷媒の循環量は、加熱点Ｈ_v から中立点Ｎまで減少し、中立点Ｎでは冷媒の循環量が０になる。すなわち、中立点Ｎでは加熱も冷却も行わない。そして、中立点Ｎから冷却点Ｃ_v までは、冷媒が第１端部２１から循環路２に流入し、第２端部２２から圧縮機５に戻る。冷媒の循環量は、中立点Ｎでの０から冷却点Ｃ_v まで増加する。

圧縮機５から吐出されても、循環路２に流入しない冷媒は、流量制御弁３１〜３４を通って圧縮機５の吸引側に戻されることになる。すなわち、循環路２に流入していない冷媒は、流量制御弁３１〜３４によって循環路２をバイパスされ、圧縮機５の吸引側に戻されている。循環路２への冷媒の循環量は、流量制御弁３１〜３４の開度によって連続的に変更制御できる。

図示のように、流量制御弁３１，３４の開度が等しく、流量制御弁３２，３３の開度が等しくなるように制御されている。そして、流量制御弁３１，３４の開度と流量制御弁３２，３３の開度との差によって、循環路２への冷媒の循環量が決定される。中立点Ｎでは流量制御弁３１，３４の開度と流量制御弁３２，３３の開度とが等しくなるため、圧縮機５から吐出された冷媒は全てバイパスされて圧縮機５の吸引側に戻される。このとき循環路２には冷媒が流入しない。

図示のように、加熱点Ｈ_v から冷却点Ｃ_v まで、流量制御弁３１，３４は全閉状態から全開状態に直線的に開度を増加させ、流量制御弁３２，３３は全開状態から全閉状態に直線的に開度を減少させることにより、循環路２における冷媒の循環量を圧縮機５の最低回転速度に対応する吐出量（加熱動作）から０（中立点Ｎ）にまで連続的に減少させ、さらに０（中立点Ｎ）から圧縮機５の最低回転速度に対応する吐出量（冷却動作）にまで連続的に増加させることができる。

図２（ｂ）は、操作量と圧縮機５の回転速度の関係を示す図である。図の縦軸は圧縮機５の回転速度を示す。回転速度は数値０〜１００で表されており、速度０が停止状態、速度１００が最高回転速度を表している。前述のように、最大加熱点Ｈ_max から加熱点Ｈ_v までの加熱動作（強）、および、冷却点Ｃ_v から最大冷却点Ｃ_max までの冷却動作（強）では、流量制御弁３１〜３４の２つを全開状態、残りを全閉状態とし、圧縮機５の回転速度と膨張弁７の開度を連動して制御することにより加熱・冷却能力の変更制御を行う。

加熱点Ｈ_v から中立点Ｎまでの加熱動作（弱）、および、中立点Ｎから冷却点Ｃ_v までの冷却動作（弱）においては、圧縮機５の回転速度を最低値に固定するとともに膨張弁７の開度も固定し、流量制御弁３１〜３４のそれぞれの開度を図２（ａ）に示すように制御して加熱・冷却能力の変更を行う。すなわち、加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v との間の領域では、圧縮機５の回転速度は最低値に固定されている。

図２（ｃ）は、操作量と実際の熱移動量との関係を示す図である。図の縦軸は単位時間あたりの熱移動量を示している。最大冷却点Ｃ_max における熱移動量をＱ_max で示し、最大加熱点Ｈ_max における熱移動量を−Ｑ_max で示している。図２（ａ），（ｂ）に示すような制御を行うことにより、最大加熱点Ｈ_max から最大冷却点Ｃ_max にわたり熱移動量を連続的に制御することができる。

加熱点Ｈ_v では加熱動作（強）と加熱動作（弱）の切り換えが生じ、冷却点Ｃ_v では冷却動作（弱）と冷却動作（強）の切り換えが生じるが、これらの点でも熱移動量の不連続は現れない。最大加熱点Ｈ_max から最大冷却点Ｃ_max の全領域において熱移動量を連続的に制御することができる。

温度制御部１０は、以上のような加熱・冷却能力の変更制御を行い、温度検出器４２，４３の検出値に基づいて温度制御対象の流体の温度が所定の目標値に一致するようにフィードバック制御を行う。フィードバック制御はＰＩＤ制御により、高精度、高速応答かつ高安定な制御を行っている。制御領域の全域において、ＰＩＤ制御により流体の温度を目標値とするための操作量が求められ、求めた操作量から図２（ａ），（ｂ）に示すような制御テーブルにより、その操作量に対応する圧縮機５の回転速度と流量制御弁３１〜３４の開度が求められる。また、圧縮機５の回転速度から膨張弁７の開度が決定される。

以上のような温度制御を行うことにより、最大加熱から最大冷却までの全域にわたり、連続的な高精度の温度制御が可能となる。加熱動作と冷却動作の切り換え点（中立点Ｎ）、加熱動作（強）と加熱動作（弱）の切り換え点（加熱点Ｈ_v ）、および冷却動作（弱）と冷却動作（強）の切り換え点（冷却点Ｃ_v ）のいずれの点においても温度制御に不連続が生じることはなく、制御領域の全域で高精度の温度制御が可能である。また、加熱および冷却は高効率のヒートポンプ方式によって行われるため、温度制御におけるエネルギー効率が大幅に向上する。

次に、循環路２における冷媒ガスの循環方向および循環量を変更制御するための循環調整部の変形例に説明する。図３は、第２の形態の循環調整部の構成を示す図である。この形態の循環調整部は、図１における流量制御弁３１〜３４に代えて２つの三方弁３５，３６を使用したものである。三方弁３５は圧縮機５から吐出する冷媒の循環路２の２つの端部側への流出割合を任意の値に設定することができ、三方弁３６は圧縮機５に流入する冷媒の循環路２の２つの端部側からの流入割合を任意の値に設定することができる。すなわち、２つの三方弁３５，３６によって、流量制御弁３１〜３４と等価な機能を実現できる。したがって、制御方法も図２に示したのと同様な方法である。

図４は、第３の形態の循環調整部の構成を示す図である。この形態の循環調整部は、図１における流量制御弁３１〜３４に代えて、２つの流量制御弁３７１，３７２と２つの電磁開閉弁３８１，３８２とを使用したものである。つまり、２つの流量制御弁を電磁開閉弁に置き換えたものである。２つの流量制御弁３７１，３７２は圧縮機５の吐出側に配置されており、２つの電磁開閉弁３８１，３８２は圧縮機５の流入側に配置されている。ただし、この配置は逆にして、流量制御弁３７１，３７２を流入側に、電磁開閉弁３８１，３８２を吐出側に配置してもよい。この形態の循環調整部では、流量制御弁を電磁開閉弁に置き換えることにより制御を簡単化できる。具体的な制御内容は後述する。

図５は、第４の形態の循環調整部の構成を示す図である。この形態の循環調整部は、図４に示すものと同様に２つの流量制御弁３７３，３７４と２つの電磁開閉弁３８３，３８４とを使用したものであるが、図４に示すものとは弁の配置が異なっている。２つの流量制御弁３７３，３７４は循環路２の第１端部２１側に配置されており、２つの電磁開閉弁３８３，３８４は循環路２の第２端部２２側に配置されている。ただし、この配置は逆にして、流量制御弁３７３，３７４を第２端部２２側に、電磁開閉弁３８３，３８４を第１端部２１側に配置してもよい。この第４の形態の循環調整部の制御方法は、第３の形態の循環調整部の制御方法と同様である。

次に、第３の形態の循環調整部について制御方法を説明する。図６は、第３の形態の循環調整部の制御方法を示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）において、横軸は温度制御部１０の行う温度制御の操作量を示している。操作量は、最大の加熱を行う最大加熱点Ｈ_max から最大の冷却を行う最大冷却点Ｃ_max までを連続的な数値（例えば、０〜１００）によって表したものである。中立点Ｎでは加熱も冷却も行わない。

前述のように、圧縮機５の最低回転速度に対応するのが加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v であり、これらの加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v の間では加熱動作（弱）および冷却動作（弱）の制御が行われ、それ以外では加熱動作（強）および冷却動作（強）の制御が行われる。すなわち、加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v の間では、流量制御弁３７１，３７２および電磁開閉弁３８１，３８２のそれぞれの開度と開閉状態の変更によって加熱・冷却能力の変更制御が行われる。

図６（ａ）は、操作量と流量制御弁３７１，３７２の開度との関係を示す図である。図の縦軸は流量制御弁３７１，３７２の開度である。弁開度は数値０〜１００で表されており、開度０が全閉状態、開度１００が全開状態を表している。流量制御弁３７１の開度は太実線で示され、流量制御弁３７２の開度は太点線で示されている。図示のように、最大加熱点Ｈ_max から圧縮機５の最低回転速度に対応する加熱点Ｈ_v までは、流量制御弁３７１は全閉状態とし、流量制御弁３７２は全開状態としている。

加熱点Ｈ_v から中立点Ｎまでは、流量制御弁３７１は全閉状態から全開状態に直線的に開度を増加させ、流量制御弁３７２は全開状態のままである。中立点Ｎから冷却点Ｃ_v までは、流量制御弁３７１は全開状態とし、流量制御弁３７２は全開状態から全閉状態に直線的に開度を減少させる。そして、冷却点Ｃ_v から最大冷却点Ｃ_max までは、流量制御弁３７１は全開状態とし、流量制御弁３７２は全閉状態としている。

図６（ｂ）は、操作量と電磁開閉弁３８１，３８２の開閉状態との関係を示す図である。図の縦軸は電磁開閉弁３８１，３８２の開閉状態であり、数値０が閉状態、数値１００が開状態を表している。電磁開閉弁３８１の開閉状態は太実線で示され、電磁開閉弁３８２の開閉状態は太点線で示されている。図示のように、最大加熱点Ｈ_max から中立点Ｎまでは、電磁開閉弁３８１は閉状態とし、電磁開閉弁３８２は開状態としている。中立点Ｎから最大冷却点Ｃ_max までは、電磁開閉弁３８１は開状態とし、電磁開閉弁３８２は閉状態としている。なお、中立点Ｎでは電磁開閉弁３８１，３８２の両者が開状態である。

図６（ｃ）は、操作量と圧縮機５の回転速度の関係を示す図である。図の縦軸は圧縮機５の回転速度を示す。回転速度は数値０〜１００で表されており、速度０が停止状態、速度１００が最高回転速度を表している。前述のように、最大加熱点Ｈ_max から加熱点Ｈ_v までの加熱動作（強）、および、冷却点Ｃ_v から最大冷却点Ｃ_max までの冷却動作（強）では、流量制御弁３７１，３７２および電磁開閉弁３８１，３８２を図６（ａ），（ｂ）に示すような状態とし、圧縮機５の回転速度と膨張弁７の開度を連動して制御することにより加熱・冷却能力の変更制御を行う。

加熱点Ｈ_v から中立点Ｎまでの加熱動作（弱）、および、中立点Ｎから冷却点Ｃ_v までの冷却動作（弱）では、圧縮機５の回転速度を最低値に固定するとともに膨張弁７の開度も固定し、流量制御弁３７１，３７２および電磁開閉弁３８１，３８２を図６（ａ），（ｂ）に示すように制御して加熱・冷却能力の変更を行う。すなわち、加熱点Ｈ_v と冷却点Ｃ_v との間の領域では、圧縮機５の回転速度は最低値に固定されている。なお、中立点Ｎでは圧縮機５から吐出された冷媒が全てバイパスされて循環路２に流入しないため加熱も冷却も行われない。

図６（ｄ）は、操作量と実際の熱移動量との関係を示す図である。図の縦軸は単位時間あたりの熱移動量を示している。最大冷却点Ｃ_max における熱移動量をＱ_max で示し、最大加熱点Ｈ_max における熱移動量を−Ｑ_max で示している。図６（ａ）〜（ｃ）に示すような制御を行うことにより、最大加熱点Ｈ_max から最大冷却点Ｃ_max にわたり熱移動量を連続的に制御することができる。

加熱点Ｈ_v では加熱動作（強）と加熱動作（弱）の切り換えが生じ、中立点Ｎでは加熱動作（弱）と冷却動作（弱）の切り換えが生じ、冷却点Ｃ_v では冷却動作（弱）と冷却動作（強）の切り換えが生じるが、これらの点でも熱移動量の不連続は現れない。最大加熱点Ｈ_max から最大冷却点Ｃ_max の全領域において熱移動量を連続的に制御することができる。

図４、図５に示す循環調整部は、流量制御弁を２つとして残りの２つを電磁開閉弁としたので、制御が簡略化されるとともに弁のコストも低減でき、温度制御装置全体のコストを低減することができる。ただし、流量制御弁を電磁開閉弁で置き換えたため、流量制御の直線性が多少悪化するという欠点もある。

次に、図１のような構成の温度制御装置１を使用して、図２に示すような制御を行い、その温度制御特性を実測した結果を示す。図７は、温度制御装置１の温度制御特性の実測値を示すグラフである。横軸は温度制御の操作量を示している。操作量は、最大加熱点から最大冷却点までを連続的な数値０〜１００によって表したものである。縦軸は単位時間あたりの熱移動量を示しており単位は［Ｗ］である。０点より上方が冷却を示し、０点より下方が加熱を示している。「インバータ制御」と表示された領域は、加熱動作（強）と冷却動作（強）の領域であり、「流量制御弁制御」と表示された領域は、加熱動作（弱）と冷却動作（弱）の領域である。

黒点が実測した測定値であり、直線は全ての測定値から求めた温度制御特性の近似直線である。図示のように、測定値はかなりよく近似直線に一致している。このため操作量に対する熱移動量の温度制御特性を連続する直線状の特性として、高精度の熱移動を発生させることができ、高精度の温度制御が可能となる。

以上のような本発明の温度制御装置１により、最大加熱から最大冷却までの全域にわたり、連続的な高精度の温度制御が可能となる。加熱動作と冷却動作の切り換え点、加熱動作（強）と加熱動作（弱）の切り換え点、および冷却動作（弱）と冷却動作（強）の切り換え点のいずれの点においても温度制御に不連続が生じることはなく、制御領域の全域で高精度の温度制御が可能である。また、加熱および冷却は高効率のヒートポンプ方式によって行われ、加熱および冷却の一方のみを温度制御対象に施すため、温度制御におけるエネルギー効率が大幅に向上する。

本発明によれば、広範囲にわたる円滑で高精度の温度制御が可能となり、温度制御の応答性も向上させることができる。特に熱負荷の小さい領域での温度制御の精度を大幅に向上させることができる。また、温度制御におけるエネルギー効率を向上させることができる。

１温度制御装置
２循環路
４流体流通路
５圧縮機
６凝縮器
７膨張弁
８熱交換器
１０温度制御部
２１第１端部
２２第２端部
３０弁調整部
３１，３２，３３，３４流量制御弁
３５，３６三方弁
４１ポンプ
４２，４３温度検出器
５１駆動部
６１冷却ファン
３７１〜３７４流量制御弁
３８１〜３８４電磁開閉弁

Claims

冷媒ガスを圧縮するための圧縮機（５）と、
前記圧縮機（５）で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液化するための凝縮器（６）と、
液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁（７）と、
加熱または冷却による温度制御対象との熱交換を行う熱交換器（８）と、
前記凝縮器（６）と前記膨脹弁（７）とを連結するとともに前記膨脹弁（７）と前記熱交換器（８）とを連結し、前記凝縮器（６）に接続する第１端部（２１）と前記熱交換器（８）に接続する第２端部（２２）のいずれか一方から他方に前記冷媒ガスを循環させる循環路（２）と、
前記圧縮機（５）により圧縮加熱された前記冷媒ガスを前記循環路（２）の前記第１端部（２１）または前記第２端部（２２）のいずれかに選択的に供給可能であるとともに、前記圧縮機（５）から吐出された前記冷媒ガスの一部または全部をバイパスして前記圧縮機（５）の吸入側に戻すことにより前記冷媒ガスの循環量を調整可能な循環調整部（３０〜３４）と、
前記温度制御対象の温度が目標値となるように、前記循環調整部（３０〜３４）による前記冷媒ガスの循環方向および循環量を制御するとともに、前記圧縮機（５）の回転速度および前記膨脹弁（７）の開度を制御する温度制御部（１０）とを有する加熱・冷却温度制御装置。
請求項１に記載した加熱・冷却温度制御装置であって、
前記循環調整部は、前記圧縮機（５）の吐出側と前記循環路（２）の前記第１端部（２１）とを接続する第１流量制御弁（３１）と、前記圧縮機（５）の吐出側と前記循環路（２）の前記第２端部（２２）とを接続する第２流量制御弁（３２）と、前記圧縮機（５）の吸入側と前記循環路（２）の前記第１端部（２１）とを接続する第３流量制御弁（３３）と、前記圧縮機（５）の吸入側と前記循環路（２）の前記第２端部（２２）とを接続する第４流量制御弁（３４）とを含むものである加熱・冷却温度制御装置。
請求項１に記載した加熱・冷却温度制御装置であって、
前記循環調整部は、前記圧縮機（５）の吐出側からの前記冷媒ガスを前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）に任意の比率で分配する第１三方弁（３５）と、前記冷媒ガスを前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）から前記圧縮機（５）の吸入側へ任意の比率で吸入する第２三方弁（３６）とを含むものである加熱・冷却温度制御装置。
請求項１に記載した加熱・冷却温度制御装置であって、
前記循環調整部は、前記圧縮機（５）の吐出側または吸入側の一方を前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）に接続する２つの流量制御弁（３７１，３７２）と、前記圧縮機（５）の吐出側または吸入側の他方を前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）に接続する２つの電磁開閉弁（３８１，３８２）とを含むものである加熱・冷却温度制御装置。
請求項１に記載した加熱・冷却温度制御装置であって、
前記循環調整部は、前記圧縮機（５）の吐出側および吸入側を前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）のいずれか一方に接続する２つの流量制御弁（３７３，３７４）と、前記圧縮機（５）の吐出側および吸入側を前記循環路（２）の前記第１端部（２１）と前記第２端部（２２）の他方に接続する２つの電磁開閉弁（３８３，３８４）とを含むものである加熱・冷却温度制御装置。