JP6869845B2

JP6869845B2 - 恒温庫

Info

Publication number: JP6869845B2
Application number: JP2017145373A
Authority: JP
Inventors: 隆聡桑田; 峻哉柚山
Original assignee: フクシマガリレイ株式会社
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP2019027636A

Description

本発明は、庫内空気を冷却する冷却装置と、庫内空気を加熱する加熱ヒーターとを併用して、庫内を一定の温度に維持する恒温庫に関する。

庫内温度の精密性が要求される恒温庫においては、冷却装置と加熱ヒーターを同時に駆動することがしばしば行われる。冷却装置を構成する圧縮機は、その機構上頻繁にオンオフの切り換えができないため、冷却装置を常時駆動しながら加熱ヒーターの出力を制御するのが一般的である。この出力の制御方法としては、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御などが知られており、特にＰＩＤ制御を採用すると、庫内温度を目標温度の近傍で比較的精密に制御することができる。このことは例えば特許文献１などに記載されている。

特開昭６３−２３２８５６号公報

上記のように冷却装置と加熱ヒーターを併用する恒温庫において、従来の制御方法によれば、目標温度を中心とした目標温度帯を設定し、庫内温度が目標温度帯の範囲内にあるときは、目標温度と庫内温度の偏差に基づくＰＩＤ演算を行って、加熱ヒーターの出力を算出する。一方、庫内温度が目標温度帯から外れたときは、これを速やかに目標温度帯の範囲内に戻すための制御を行う。例えば、扉の開放により庫内に常温の外気が侵入し、庫内温度が上昇して目標温度帯の上限温度を上回ったときは、加熱ヒーターへの通電を停止して、冷却装置の冷却能力を最大限に発揮させて、庫内を速やかに冷却する。

庫内の速やかな冷却により庫内温度が目標温度帯の上限温度まで低下すると、加熱ヒーターの出力を算出するためのＰＩＤ演算が行われる。算出された出力で加熱ヒーターを起動することにより、庫内温度の冷却速度が緩和される。しかしＰＩＤ演算値は、演算時点までの目標温度と庫内温度の偏差の推移に左右されるため、場合によっては同演算値すなわち加熱ヒーターの出力が、庫内の冷却速度を緩和するのに不十分な低い値となることがある。ＰＩＤ演算式の比例ゲインなどの各係数が不適切である場合にも、同様の問題が生じることがある。加熱ヒーターの出力が低く、庫内の冷却速度を十分に緩和できなければ、庫内温度が目標温度帯を一気に下回るアンダーシュートを招くおそれがある。アンダーシュートが発生すると、今度は庫内を速やかに加熱すべく、加熱ヒーターの出力が高く設定されて、庫内の加熱速度が高くなるため、庫内温度が目標温度帯を上回るオーバーシュートが発生しやすくなる。このように、従来の制御方法によれば、庫内温度を目標温度帯まで低下させてから、アンダーシュートとオーバーシュートが交互に発生し、庫内温度が目標温度帯の範囲内で安定するまでに長い時間を要してしまうことがあった。

本発明の目的は、庫内温度を目標温度帯まで低下させた後のアンダーシュートを抑制して、庫内温度を目標温度帯の範囲内で速やかに安定させることができる恒温庫を提供することにある。

本発明は、庫内Ｒの空気を冷却する冷却装置３と、庫内Ｒの空気を加熱する加熱ヒーター４と、庫内温度Ｔを検出する庫内温度センサ２４と、冷却装置３および加熱ヒーター４を制御する制御装置２３とを備える恒温庫に関する。庫内Ｒの目標温度Ｔ０を含む目標温度帯が設定されており、この目標温度帯は、目標温度Ｔ０を境として、低温側の下目標温度帯と高温側の上目標温度帯とに区分されている。制御装置２３は、庫内温度センサ２４で検出される庫内温度Ｔが下目標温度帯の範囲内にあるときは、冷却装置３を駆動しながら、目標温度Ｔ０と庫内温度Ｔの偏差に基づくＰＩＤ演算を行って加熱ヒーター４の出力を算出し、当該出力で加熱ヒーター４を駆動し、庫内温度センサ２４で検出される庫内温度Ｔが上目標温度帯の範囲内にあるときは、冷却装置３を駆動しながら、予め設定した一定出力で加熱ヒーター４を駆動する。上目標温度帯における加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を下回るように設定されている。

恒温庫の庫外温度を検出する庫外温度センサ２５を備えており、制御装置２３は、庫外温度センサ２５が検出する庫外温度に基づいて、上目標温度帯における加熱ヒーター４の一定出力を補正する形態を採ることができる。

本発明に係る恒温庫では、庫内Ｒの目標温度Ｔ０を含む目標温度帯を、目標温度Ｔ０を境に低温側の下目標温度帯と高温側の上目標温度帯とに区分した。そして、庫内温度センサ２４で検出される庫内温度Ｔが下目標温度帯の範囲内にあるときは、従来と同様に目標温度Ｔ０と庫内温度Ｔの偏差に基づくＰＩＤ演算を行って、加熱ヒーター４の出力を算出する一方、庫内温度Ｔが上目標温度帯の範囲内にあるときは、従来のＰＩＤ演算を行わず、予め設定した一定出力で加熱ヒーター４を駆動するようにした。上目標温度帯における加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を下回るように設定した。以上のような構成からなる恒温庫によれば、上目標温度帯における加熱ヒーター４の一定出力を予め適切な値に設定しておくことにより、庫内Ｒを高い冷却速度で目標温度帯まで冷却した後、当該冷却速度を加熱ヒーター４で緩和するときに、加熱ヒーター４の発熱量が不足することがなく、冷却速度を的確に緩和することができる。これにより、庫内温度Ｔを目標温度帯まで低下させた後のアンダーシュートを抑制して、庫内温度Ｔを目標温度帯の範囲内で速やかに安定させることができる。

冷却装置３の冷却能力は、恒温庫の庫外温度に左右されることがある。この場合、庫外温度が低いほど冷却能力は高くなり、庫内温度Ｔが目標温度帯まで低下するときの冷却速度も高くなる。そこで本発明では、庫外温度センサ２５が検出する庫外温度に基づいて、上目標温度帯における加熱ヒーター４の一定出力を補正するようにした。具体的には、庫外温度が比較的低いときは、冷却速度が高くなる傾向にあるため、一定出力を比較的大きい値に補正し、逆に庫外温度が比較的高いときは、冷却速度が低くなる傾向にあるため、一定出力を比較的小さい値に補正する。これにより、恒温庫の庫外温度にかかわらず、庫内Ｒの冷却速度を同程度まで緩和して、庫内温度Ｔのアンダーシュートを抑制することができる。

本発明に係る恒温庫の扉開閉時の状態の推移を示すタイミングチャートである。恒温庫の概略構成を示す縦断側面図である。恒温庫の平常時の状態の推移を示すタイミングチャートである。

（実施例）本発明に係る恒温庫の実施例を図１ないし図３に示す。図２において恒温庫は、正面に開口を有する縦長直方体状の断熱箱体１と、断熱箱体１の開口を開閉する断熱扉２とを備える。断熱箱体１と断熱扉２で囲まれる庫内Ｒは冷却装置３により冷却され、また加熱ヒーター４により加熱される。冷却装置３は、断熱箱体１の下側の機械室５に配置される圧縮機６、凝縮器７および凝縮器ファン８と、庫内Ｒに配置される蒸発器９などで構成される。

庫内Ｒの奥部寄りには、庫内Ｒを収容空間１３と通気ダクト１４に区画する区画板１５が配置されている。断熱扉２に臨む収容空間１３には、収容物を載置するための棚板１６が多段状に設置されており、庫内Ｒの内奥に位置する通気ダクト１４には、蒸発器９と加熱ヒーター４が並んで配置されている。区画板１５の上端部には吸込口１７が形成され、区画板１５の下端部には吹出口１８が形成されている。吸込口１７には循環ファン１９が設けられており、この循環ファン１９が駆動することにより、庫内空気が通気ダクト１４を下降して収容空間１３を上昇する空気の流れが形成される。より詳しくは、収容空間１３内の空気は、吸込口１７から通気ダクト１４に吸い込まれると、同ダクト１４を下降して蒸発器９と加熱ヒーター４を通過する間に温調され、温調後の空気が吹出口１８から収容空間１３に吹き出されて、同空間１３を上昇する。

断熱箱体１の天面には、冷却装置３（圧縮機６・凝縮器ファン８）と加熱ヒーター４などを制御する制御装置２３が設置されている。制御装置２３の正面には、ユーザーが庫内Ｒの目標温度Ｔ０などを入力するための操作パネルが設けられている。制御装置２３は、庫内温度Ｔを検出する庫内温度センサ２４の検出値と、庫外温度を検出する庫外温度センサ２５の検出値とに基づいて、冷却装置３と加熱ヒーター４を制御することにより、庫内温度Ｔを目標温度Ｔ０の近傍に維持する（詳細は後述する）。庫内温度センサ２４は、通気ダクト１４における蒸発器９と加熱ヒーター４の上方に配置されており、収容空間１３から吸込口１７を介して通気ダクト１４に吸い込まれた直後の空気（蒸発器９と加熱ヒーター４を通過する前の空気）の温度を検出する。庫外温度センサ２５は、断熱箱体１の外側の任意の位置に配置することができるが、本実施例では機械室５の正面を覆う機械室パネルの裏側に同センサ２５を配置した。凝縮器ファン８が駆動すると、凝縮器７から圧縮機６へ向かう方向の空気の流れが機械室５内に形成される。庫外温度センサ２５は、機械室パネルの通気口を介して機械室５に吸い込まれた直後の空気（凝縮器７で熱交換する前の空気）の温度を検出する。

本実施例では、庫内温度Ｔの目標温度Ｔ０に対して許容幅ｆ（ｆ＞０；例えばｆ＝１℃）を設定し、Ｔ０±ｆの範囲を目標温度帯に設定する。また目標温度帯を、目標温度Ｔ０以上の上目標温度帯と、目標温度Ｔ０未満の下目標温度帯とに区分する。さらに、目標温度帯の上限温度（Ｔ０＋ｆ）を上回る温度帯を高温度帯に設定し、目標温度帯の下限温度（Ｔ０−ｆ）を下回る温度帯を低温度帯に設定する。各温度帯の温度条件は、次の表１に示す不等式で表現することができる。制御装置２３は、庫内温度センサ２４の検出値に基づいて、庫内温度Ｔが現在どの温度帯に属するかを判定する。

表１に示すように冷却装置３は、庫内温度Ｔが属する温度帯にかかわらずオン状態に維持される。ただし、庫内温度Ｔが目標温度帯の下限温度（Ｔ０−ｆ）をさらに数℃下回った場合には、制御装置２３は冷却装置３を停止して庫内Ｒを急速に加熱し、庫内温度Ｔが十分に上昇したところで冷却装置３を再起動する。一方、加熱ヒーター４の通電率（出力）は、庫内温度Ｔが属する温度帯により異なる。高温度帯においては、加熱ヒーター４への通電を停止して、冷却装置３の冷却能力を最大限に発揮させて、庫内Ｒを速やかに冷却する。低温度帯においては、加熱ヒーター４の通電率を１００％に設定する。通電率を１００％にしたときの加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を大きく上回っており、従って庫内Ｒは速やかに加熱される。

上目標温度帯においては、庫内温度Ｔを目標温度Ｔ０まで緩やかに低下させるため、予め設定した一定通電率（一定出力）で加熱ヒーター４を駆動する。一定通電率で駆動するときの加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を僅かに下回るように設定されている。本発明において加熱能力が冷却能力を僅かに下回るとは、冷却装置３の冷却能力を１００としたときの加熱ヒーター４の加熱能力が９０以上９９以下であるという意味である。

本実施例で使用する冷却装置３は空冷式であり、その冷却能力は恒温庫の庫外温度に左右される。そのため制御装置２３は、庫外温度センサ２５の検出値に基づき一定通電率を補正する。本実施例では、一定通電率の初期値を３０％に設定し、庫外温度に応じた補正値を初期値に加算するようにした。庫外温度が常温のときの補正値は０％である。庫外温度が比較的低いときは、冷却装置３の冷却能力が高くなるため、補正値はプラスの値となり、逆に庫外温度が比較的高いときは、冷却装置３の冷却能力が低くなるため、補正値はマイナスの値となる。

下目標温度帯においては、目標温度Ｔ０と庫内温度Ｔの偏差ｅ（ｅ＝目標温度Ｔ０−庫内温度Ｔ）に基づくＰＩＤ演算を行って、加熱ヒーター４の通電率を算出する。ここで通電率Ｕは、比例制御値Ｐと積分制御値Ｉと微分制御値Ｄと補正値Ｃを加算して求められる（Ｕ＝Ｐ＋Ｉ＋Ｄ＋Ｃ）。各制御値Ｐ・Ｉ・Ｄの算出方法は従来と同様である。すなわち比例制御値Ｐは、比例ゲインＫｐと庫内温度Ｔの検出時点の偏差ｅとの積であり（Ｐ＝Ｋｐ×ｅ）、積分制御値Ｉは、積分ゲインＫｉと過去の偏差ｅの累積値との積であり（Ｉ＝Ｋｉ×∫ｅｄｔ）、微分制御値Ｄは、微分ゲインＫｄと偏差ｅの将来予測値との積である（Ｄ＝Ｋｄ×（ｄｅ／ｄｔ））。補正値Ｃは、先に説明した上目標温度帯の場合と同様に、庫外温度センサ２５が検出する庫外温度に基づいて決定されており、庫外温度が比較的低いときの補正値Ｃはプラスの値となり、庫外温度が比較的高いときの補正値Ｃはマイナスの値となる。なお通電率Ｕには、上限値ＵＨと下限値ＵＬが設定されており、上記式の演算値が上限値ＵＨを上回ったときはＵ＝ＵＨとなり、同演算値が下限値ＵＬを下回ったときはＵ＝ＵＬとなる。本実施例では、上限値ＵＨを１００％とし、下限値ＵＬを先の一定通電率すなわち（３０＋Ｃ）％とした。

本実施例に係る恒温庫を運転した場合の、庫内温度Ｔと加熱ヒーター４の通電率の時間的な変化の一例を、図３のタイミングチャートに示す。ここで、恒温庫の庫外温度は常温であり、庫外温度に基づく通電率の補正値Ｃは０％である。時点ｔ１以前は庫内温度Ｔが上目標温度帯（Ｔ０≦Ｔ≦Ｔ０＋ｆ）に属しており、加熱ヒーター４の通電率は３０％で一定である。庫内温度Ｔが低下して目標温度Ｔ０を下回り（時点ｔ１）、庫内温度Ｔが下目標温度帯（Ｔ０−ｆ≦Ｔ＜Ｔ０）に属するようになると、制御装置２３は上記のＰＩＤ演算を行って、加熱ヒーター４の通電率を算出する。ここで算出される通電率は、時点ｔ１以前の一定の通電率すなわち３０％よりも高くなっている。加熱ヒーター４の通電率が上昇した直後は、庫内温度Ｔは低下傾向を示すが、やがて上昇に転じる。時点ｔ１から時点ｔ２までの下目標温度帯において、庫内温度Ｔが低下する間は、加熱ヒーター４の通電率は概して上昇し、庫内温度Ｔが上昇する間は、加熱ヒーター４の通電率は概して低下している。

庫内温度Ｔが目標温度Ｔ０まで上昇して（時点ｔ２）、庫内温度Ｔが下目標温度帯から上目標温度帯へ移ると、制御装置２３は加熱ヒーター４の通電率を時点ｔ１以前と同じ３０％に低下させる。上述したように、一定通電率（３０％）で駆動するときの加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を僅かに下回る。従って、時点ｔ２の直後は、それまでの勢いで庫内温度Ｔは上昇するが、やがて庫内温度Ｔは緩やかな低下に転じ、再び目標温度Ｔ０まで低下する（時点ｔ３）。時点ｔ２から時点ｔ３までの上目標温度帯において、加熱ヒーター４の通電率は常に３０％に維持される。

一般的には、庫内温度Ｔが低下し始めると、下目標温度帯（時点ｔ１〜時点ｔ２）において、目標温度帯の下限温度（Ｔ０−ｆ）に達する前に上昇に転じる。また、庫内温度Ｔが上昇し始めると、多くの場合は上目標温度帯（時点ｔ２〜時点ｔ３）において、目標温度帯の上限温度（Ｔ０＋ｆ）に達する前に低下に転じる。しかし、庫内温度Ｔが上昇あるいは低下に転じるタイミングは一定ではなく、時には反転のタイミングが遅れて、庫内温度Ｔが下限温度（Ｔ０−ｆ）を下回ったり、上限温度（Ｔ０＋ｆ）を上回ることがある。時点ｔ４から時点ｔ５の間では、庫内温度Ｔが下限温度（Ｔ０−ｆ）を僅かに下回って低温度帯（Ｔ＜Ｔ０−ｆ）に入っており、この場合に制御装置２３は、加熱ヒーター４の通電率を１００％に設定して、庫内Ｒを速やかに加熱する。このように、庫内温度Ｔが目標温度帯を外れることは、許容幅ｆを狭く設定するほど起きやすくなる。

また、恒温庫の庫外温度と目標温度Ｔ０が大きく異なる場合は、庫内Ｒに外気が侵入することにより、庫内温度Ｔが目標温度帯から大きく外れることがある。図１のタイミングチャートは、庫内Ｒの目標温度Ｔ０を冷凍温度（例えば−２０℃）に設定して運転し、その運転中に断熱扉２を開閉した場合の庫内温度Ｔと加熱ヒーター４の通電率の変化を示したものである。恒温庫は常温の屋内に設置されている。

ここでは、断熱扉２が開放された時点ｔ１１の直後に、常温（庫内空気に比べて高温）の外気が庫内Ｒに侵入して、庫内温度Ｔは急上昇に転じている。制御装置２３は、庫内温度Ｔが目標温度Ｔ０まで上昇すると（時点ｔ１２）、加熱ヒーター４の通電率を一定通電率すなわち３０％に低下させ、さらに庫内温度Ｔが目標温度帯の上限温度（Ｔ０＋ｆ）を上回ると（時点ｔ１３）、加熱ヒーター４への通電を停止している。次の時点ｔ１４では断熱扉２が閉鎖されて、その後に庫内温度Ｔが低下に転じている。このとき加熱ヒーター４はオフであるため、冷却装置３の冷却能力が最大限に発揮されて、庫内Ｒは速やかに冷却される。

庫内温度Ｔが上限温度（Ｔ０＋ｆ）まで低下すると（時点ｔ１５）、制御装置２３は一定通電率（３０％）で加熱ヒーター４を駆動する。繰り返すが、一定通電率（３０％）で駆動するときの加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を僅かに下回る程度である。従って、一定通電率で加熱ヒーター４を駆動することにより、時点ｔ１５以降の庫内Ｒの冷却速度を十分に緩和することができる。庫内温度Ｔが目標温度Ｔ０に達する時点ｔ１６までに、冷却速度を十分に緩和することにより、時点ｔ１６以降の温度低下がさらに緩やかなものとなり、庫内温度Ｔが下限温度（Ｔ０−ｆ）を下回るアンダーシュートの発生を抑制することができる。このことは、アンダーシュート後のオーバーシュートを抑制することや、庫内温度Ｔを目標温度帯の範囲内で速やかに安定させることに資するものである。

図１で説明した断熱扉２の開閉後の他に、庫内温度Ｔが目標温度帯の上限温度（Ｔ０＋ｆ）まで速やかに冷却されるケースとしては、停止状態の恒温庫を起動した直後を挙げることができる。起動直後の庫内温度Ｔは庫外温度と同じ常温であり、上限温度（Ｔ０＋ｆ）を大きく上回っているから、制御装置２３は加熱ヒーター４を駆動せずに冷却装置３だけを駆動する。そのため、庫内温度Ｔは上限温度（Ｔ０＋ｆ）まで速やかに冷却されるが、その分アンダーシュートが発生しやすくなる。しかし本実施例では、庫内温度Ｔが上限温度（Ｔ０＋ｆ）まで低下すると、冷却速度を緩和するのに十分な一定通電率で加熱ヒーター４を駆動するので、その後のアンダーシュートの発生を抑制することができる。

以上のように、本実施例に係る恒温庫では、庫内Ｒの目標温度Ｔ０を中心とした目標温度帯を、目標温度Ｔ０未満の下目標温度帯と、目標温度Ｔ０以上の上目標温度帯とに区分した。そして、庫内温度センサ２４により検出される庫内温度Ｔが下目標温度帯の範囲内にあるときは、従来と同様に目標温度Ｔ０と庫内温度Ｔの偏差ｅに基づくＰＩＤ演算を行って、加熱ヒーター４の通電率を算出する一方、庫内温度Ｔが上目標温度帯の範囲内にあるときは、従来のＰＩＤ演算を行わず、予め設定した一定通電率で加熱ヒーター４を駆動するようにした。上目標温度帯における加熱ヒーター４の加熱能力は、冷却装置３の冷却能力を僅かに下回るように設定した。以上のように構成した本実施例の恒温庫によれば、庫内Ｒを高い冷却速度で目標温度帯まで冷却した後、当該冷却速度を加熱ヒーター４で緩和するときに、加熱ヒーター４の発熱量が不足することがなく、冷却速度を的確に緩和することができる。これにより、庫内温度Ｔを目標温度帯まで低下させた後のアンダーシュートを抑制して、庫内温度Ｔを目標温度帯の範囲内で速やかに安定させることができる。

上記実施例では、上目標温度帯と下目標温度帯の温度幅を共に許容幅ｆとしたが、両温度幅は同一である必要は無く、上目標温度帯と下目標温度帯のうち一方の温度幅を他方の温度幅より広く設定してもよい。許容幅ｆと目標温度Ｔ０は任意に選択することができる。加熱ヒーター４の制御方法としては、上記実施例のように通電率を変える以外に、例えば加熱ヒーター４を複数個の小ヒーターからなるヒーター群で構成し、通電する小ヒーターの数を増減させることにより、加熱ヒーター４の全体の発熱量を制御してもよい。恒温庫の構造は上記実施例で示したものに限られない。

３冷却装置
４加熱ヒーター
２３制御装置
２４庫内温度センサ
２５庫外温度センサ
Ｒ庫内
Ｔ庫内温度
Ｔ０目標温度

Claims

庫内（Ｒ）の空気を冷却する冷却装置（３）と、庫内（Ｒ）の空気を加熱する加熱ヒーター（４）と、庫内温度（Ｔ）を検出する庫内温度センサ（２４）と、冷却装置（３）および加熱ヒーター（４）を制御する制御装置（２３）とを備える恒温庫であって、
庫内（Ｒ）の目標温度（Ｔ０）を含む目標温度帯が設定されており、
目標温度帯は、目標温度（Ｔ０）を境として、低温側の下目標温度帯と高温側の上目標温度帯とに区分されており、
制御装置（２３）は、
庫内温度センサ（２４）で検出される庫内温度（Ｔ）が下目標温度帯の範囲内にあるときは、冷却装置（３）を駆動しながら、目標温度（Ｔ０）と庫内温度（Ｔ）の偏差に基づくＰＩＤ演算を行って加熱ヒーター（４）の出力を算出し、当該出力で加熱ヒーター（４）を駆動し、
庫内温度センサ（２４）で検出される庫内温度（Ｔ）が上目標温度帯の範囲内にあるときは、冷却装置（３）を駆動しながら、予め設定した一定出力で加熱ヒーター（４）を駆動するようになっており、
上目標温度帯における加熱ヒーター（４）の加熱能力が、冷却装置（３）の冷却能力を下回るように設定されていることを特徴とする恒温庫。
恒温庫の庫外温度を検出する庫外温度センサ（２５）を備えており、
制御装置（２３）は、庫外温度センサ（２５）が検出する庫外温度に基づいて、上目標温度帯における加熱ヒーター（４）の一定出力を補正する請求項１に記載の恒温庫。