JPH0512626B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種製品、材料等がある温度環境に
対しどのような特性を有するか、該環境のもとに
どのような影響をうけるか等を調べる恒温器のよ
うな環境試験装置その他において冷凍装置により
目標低温を得る方法及びその方法を実施するため
の冷凍装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕 環境試験装置等における一定目標個所を恒温に
制御する方法として、古くは直接調温方式があ
り、それによると温度制御に加熱器と冷凍機を用
い、目的の温度より低い場合は加熱器で加熱し、
目的の温度より高い場合は冷凍機の蒸発器に冷媒
を流して冷却する。しかしこの方法によると、加
熱器と冷凍機が交互に作動するので温度制御空間
におかれた物品は熱気と冷気に交互に曝されるこ
とになり、熱的衝撃を受けるので好ましくない。

この問題を解決する方法として、特公昭47−
29265号に開示された方法がある。該方法では、
冷凍機蒸発器に制御温度範囲の最低温度を得るこ
とができるように常時一定量の冷媒を流してお
き、目的温度に応じて加熱器を制御運転し、冷凍
機能力と加熱器出力とを調和させながら所望の温
度を得る。

後者方法によると温度制御にあたり熱的衝撃が
少なく、全体として円滑な温度制御を行うことが
できるが、一定の低温を得ようとする場合でも、
高温度制御の場合と同様に加熱器出力の増減によ
り温度制御しなければならず、それだけエネルギ
ーを浪費するという問題が残されている。

ところで、冷凍機による温度降下の傾きは第４
図に示すように、蒸発器用膨張機構がある開度に
設定された直後には大きく、時間がたつにつれて
小さくなることが明らかになつている。

そこで本発明は、この現象を利用して従来問題
点を解決しようとするもので、一定の目標低温を
得るにあたり、熱的衝撃が少なく円滑に温度制御
でき、それでいてエネルギーを従来に比べて節約
できる方法及び該方法を実施するための冷凍装置
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のこの目的は、 冷凍装置により目標個所に目標低温を得る方法
であつて、冷凍回路中の蒸発器用の膨張機構に開
度可変型の膨張機構を用い、該膨張機構開度を前
記目標低温を得るための開度より大きい開度から
段階的に絞るようにし、該膨張機構絞り操作は、
そのときの膨張機構開度における前記目標個所の
温度降下勾配が予め定めた緩やかさに到達すると
一段小さい膨張機構開度へ向け行うようにし、前
記各膨張機構絞り操作のあとには前記目標個所の
温度が予め定めた比例制御のための比例帯に到達
しているか否かを判断し、前記目標個所の温度が
該比例帯に到達していない間は前記膨張機構絞り
操作と前記比例帯に到達したか否かの判断を繰り
返し、前記目標個所の温度が前記比例帯に到達す
ると、以後は前記目標個所の温度を前記目標低温
に向けて比例制御することを特徴とする方法、及
び 第２図にその構成が示されている冷凍装置、す
なわち、 蒸発器用の膨張機構として開度可変型膨張機構
を用いた冷凍回路と、 前記膨張機構の開度を調節するための膨張機構
駆動手段と、 目標低温にすべき目標個所の温度を検出する温
度検出手段と、 目標低温設定手段と、 前記膨張機構の初期開度設定手段と、 前記温度検出手段により検出される温度に基づ
いて前記目標個所のそのときの膨張機構開度にお
ける温度降下初期の温度降下勾配を基準値として
求める基準値設定手段と、 前記基準値設定手段により前記温度降下初期の
温度降下勾配が求められたあと、さらに、前記温
度検出手段により検出される温度に基づいて前記
目標低温にすべき個所の温度降下勾配を求める温
度降下勾配検出手段と、 前記基準値設定手段により求められた基準値と
前記温度降下勾配検出手段により求められた値と
を比較して、後者の値が前者基準値に対し予め定
めた割合に到達していると前記膨張機構駆動手段
に膨張機構を予め定めた量絞るように駆動信号を
発し、到達していないときには前記温度降下勾配
検出手段に検出指示信号を発する第１比較手段
と、 前記駆動信号に基づいて前記膨張機構駆動手段
により前記膨張機構が予め定めた量絞られたあと
前記温度検出手段により検出される温度と前記目
標低温との差を求める温度差検出手段と、 比例制御のための比例帯を設定する手段と、 前記温度差検出手段により求めた温度差と前記
比例帯の幅とを比較して、前記目標低温にすべき
個所の温度が該比例帯に到達したか否かを判断
し、到達していると比例制御指示信号を出力し、
到達していないと前記基準値設定手段に基準値設
定指示信号を出力する第２比較手段と、 前記第２比較手段からの比例制御指示信号を受
けて前記膨張機構駆動手段に比例駆動信号を出力
する比例制御手段、 を備えたことを特徴とする冷凍装置 により達成される。

本発明方法において前記目標個所の温度降下勾
配の予め定めた緩やかさは、例えばそのときの弁
開度における温度降下初期の温度降下勾配を基準
として、該基準値の予め定めた割合とすることが
できる。

また、本発明における前記比例制御は、極端な
アンダーシユート、オーバーシユートを避け、か
つ、できるだけ迅速な制御を達成するために、例
えば、前記目標個所の温度が最初に前記比例帯に
到達した時点から該目標個所の温度を予め決めた
時間間隔で測定して予め定めた測定回数毎に該測
定値の平均値を求め、該平均値を求める毎に該平
均値と前記目標温度との差に応じて、予め用意し
た複数種の比例制御のための基準調整量から一つ
の基準調整量を選択して行うことができる。この
場合、該基準調整量には、こまかく比例制御する
ための基準調整量からより荒つぽく迅速に制御す
るための基準調整量が用意され、前記平均値が比
例帯にあるときには一番こまやかに制御できる基
準調整量が採用される。

該比例制御のための基準調整量は、例えば、い
づれも実験に基づいて目標温度の関数として定め
ておくことができる。

本発明における前記膨張機構としては、例え
ば、開度可変型の膨張弁、数種類のキヤピラ
リーチユーブを並列に接続してそれぞれに開閉弁
を接続し、いずれかのキヤピラリーチユーブを選
択使用できるようにしたものを挙げることができ
る。

本発明冷凍装置における膨張機構の、前記目標
低温を得るための開度より大きい、初期開度の設
定手段としては、例えば、初期開度入力器と該
入力器により入力された値に基づいて前記膨張機
構駆動手段に駆動信号を出力する手段を含むも
の、予め実験によつて求めておいた目標温度に
ふさわしい初期開度を１又は２以上記憶した記憶
手段と、目標温度に応じて前記記憶手段から対応
する初期開度を選択し、それに基づいて前記膨張
機構駆動手段に駆動信号を出力する手段とを含む
ものを挙げることができる。

また、前記比例帯設定手段としては、例えば、
比例帯入力器と該入力器により入力された値を
記憶する記憶手段をふくむもの、予め実験によ
つて定めたおいた、目標温度に適する比例帯を１
又は２以上記憶した記憶手段と、該記憶手段から
目標温度に適した比例帯を選択する手段とを含む
もの、予め実験によつて定めておいた適切な比
例帯幅と目標温度とから比例帯を決定する手段を
含むもの、を挙げることができる。

〔作用〕

本発明方法及び装置によると、目標低温及び膨
張機構の初期開度が設定されたあと、冷凍回路の
膨張機構は目標低温に向け段階的に絞られ、目標
個所の温度が比例制御のための比例帯に到達する
と、以後は比例制御にて膨張機構開度が調節され
て目標低温が得られる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を、各種試料の低温特性等
を調べるための低温恒温器における温度制御の場
合について説明する。

図示の恒温器１０は、恒温槽１０１内に供試品
を収めるテストエリア１０２を有し、該エリアの
後方には蒸発器１１と空気循環用フアン１２を有
している。

該蒸発器１１とフアン１２は後述する冷凍装置
の構成メンバである。冷凍回路１はそれ自体公知
のものであり、前記蒸発器１１のほか、圧縮機１
３、凝縮器１４及び蒸発器１１用の開度可変型膨
張弁１５を備えている。

弁１５は図示していないシヤフトが回されると
弁体が移動して弁開度が変わるタイプのものであ
る。

この恒温器において一定の所望低温T1を得る
実施例方法は、第１図のフローチヤートに示され
る通りである。すなわち、先ずテストエリア１０
２内の一定の目標低温Ｔ１を定め、弁１５の初期
開度を前記目標低温を得るに要する弁開度より大
きく設定する（ステツプ）。該弁開度は本実施
例の場合全開である。次に弁開度初期設定の直ぐ
あとに温度降下初期の温度降下勾配Ｓ１を求め、
該Ｓ１を基準値とする（ステツプ）。該Ｓ１は、
テストエリア１０２内の現在温度T2を一定時間
（本実施例の場合10秒）間隔でｎ回（本実施例の
場合６回）測定検出し、各一定時間の温度降下s1
＝−dT／dt（dt：単位時間、dT：単位時間内の
温度降下分）を求め、それらを平均して得る。

ステツプのあとは、再び温度降下勾配Ｓ２を
求める（ステツプ）。該Ｓ２も前記Ｓ１を求め
たと同様の手順にて求める。

次に温度降下の傾きＳ２が基準値Ｓ１の一定割
合の緩やかさに達したか否かを、Ｓ１×α＜Ｓ２
の条件を満足するか否かで判断する（ステツプ
）。ここでαは温度降下速度を考慮して予め任
意に決定される定数であり、本実施例の場合は実
験に基づいて決定される。

該条件を満足していないときには再びステツプ
へ戻り、該条件を満足しているときは膨張弁１
５を予め定めた量だけ絞る（ステツプ）。

該絞り操作の後は、テストエリア１０２内の温
度T2を測定し（ステツプ）、該温度が予め設定
した比例制御のための比例帯に到達しているか否
かを｜T1−T2｜≦Ta（Ta：比例帯幅の２分の
１）の条件が満足されているか否かで判断し（ス
テツプ）、満足されていないときはステツプ
へ戻り、満足されていると以後は膨張弁開度を所
望低温T1を得るように比例制御に入る（ステツ
プ）。

該比例制御は、｜T1−T2｜≦Taが最初に満足
された時点からテストエリア１０２内温度T2を
予め決めた時間間隔（この実施例では10秒）で測
定して、予め定めた測定回数ｎ（この実施例では
６回）毎に測定値の平均値Tmを求め、該平均値
Tmと目標温度T1との差｜T1−Tm｜を求め、｜
T1−Tm｜≦Taか否かを判断する（ステツプ８
１）。そうであれば比例制御のための弁開度基準
調整量Kp＝Ｆ（T1）を採用し（ステツプ８２）、
これに基づいて膨張弁１５の開度を調節する（ス
テツプ８３）。そうでなければ、Ta＜｜T1−Tm
｜≦Tbか否かを判断し（ステツプ８４）、Ta＜
｜T1−Tm｜≦Tbであればれば比例制御のため
の弁開度基準調整量Kp＝Ｇ（T1）を採用し（ス
テツプ８５）、これに基づいて膨張弁１５の開度
を調節する（ステツプ８６）。そうでなければ比
例制御のための弁開度基準調整量Kp＝Ｈ（T1）
を採用し（ステツプ８７）、これに基づいて膨張
弁１５の開度を調節する（ステツプ８８）。以後
はステツプ８１〜８８を選択的に繰り返す。

前記Ｆ（T1）、Ｇ（T1）、Ｈ（T1）は目標温度T1
の関数であり、この実施例では実験に基づいて定
められており、相互にＦ（T1）＜Ｇ（T1）＜Ｈ（T1）
の関係にある。

従つて、前記平均値Tmが比例帯の外にあると
き、換言すれば、Ta＜｜T1−Tm｜≦Tb又は
Tb＜｜T1−Tm｜のときははＨ（T1）又はＧ
（T1）を採用して操作量大きく迅速に比例制御す
るが、前記平均値Tmが比例帯にあるとき、換言
すれば、〓T1−Tm〓≦TaのときＦ（T1）を採
用してよりこまやかに比例制御を行い、所謂オー
バシユートやアンダーシユートを無くすか、極力
少なくする。

前記Tbは、Ｇ（T1）を採用するか、Ｈ（T1）
を採用するかの判断基準値であり、実験に基づい
て定められており、この実施例では５℃である。

次に前記方法を実施する冷凍装置について説明
する。

該冷凍装置は第３図にその概略全体構成が示さ
れている。

該冷凍装置は、冷凍回路１のほか、膨張弁１５
に付設されたステツプモータ２１、モータ２１に
パルスを出力するパルス出力ジエネレータ２２、
テストエリア内温度を検出する温度検出器３、目
標低温入力器４を含んでおり、ジエネレータ２
２、温度検出器３及び目標低温入力器４はマイク
ロコンピユータ（以下、「マイコン」）５の入出力
ポートに諏続されている。なお、３１はＡ／Ｄコ
ンバータである。

モータ２１とパルス出力ジエネレータ２２は膨
張弁駆動装置に相当する。

目標低温入力器４は前記目標低温設定手段の一
部に相当し、キーボードタイプのものである。

マイコン５は、目標低温設定手段の一部に相当
する機能を有し、更に、膨張弁初期開度設定手
段、比例制御のための比例帯を設定する手段、
基準値Ｓ１設定手段、温度降下勾配Ｓ２検出
手段、Ｓ１×α＜Ｓ２か否かを判断し、そうで
あると膨張弁駆動装置２のパルス出力ジエネレー
タ２２に膨張弁１５を予め決めた量絞る駆動信号
を出力し、そうでないときは温度降下勾配Ｓ２検
出手段に検出指示信号を発する第１比較手段、
前記駆動信号に基づいて膨張弁１５が絞られたあ
と、温度検出器３により検出される温度T2と目
標低温T1との差を求める温度差検出手段、｜
T1−T2｜≦Ta（Ta：比例帯幅の２分の１）の条
件が満足されているか否を判断し、満足されてい
ると比例制御指示信号を出力し、満足されていな
いと基準値Ｓ１設定手段に基準値設定指示信号を
出力する第２比較手段、第２比較手段から比例
制御指示信号を受けて膨張弁駆動装置２に比例駆
動信号を出力する比例制御手段に相当する機能を
有し、第１図のフローチヤートに示す手順で動作
するようになつている。

膨張弁初期開度設定手段は初期開度全開を記憶
したマイコン内の記憶手段と、それに記憶された
開度にしたがつてパルス出力ジエネレータ２２に
駆動信号を出力するマイコン内手段とからなつて
いる。

また、比例帯設定手段は、予め実験によつて定
めておいた比例帯幅（Ta×２）と目標温度T1と
から比例帯（T1−Ta）〜（T1＋Ta）を決定す
るマイコン内手段からなつている。

従つて、初期設定として目標低温入力器４にて
目標低温が設定されるとともに、マイコン５で膨
張弁１５の初期開度と比例帯が設定されると、目
標低温へ向け自動的に段階的に膨張弁１５の開度
が絞られ、テストエリア１０２内温度が比例制御
のための比例帯に到達すると、以後は比例制御に
て膨張弁開度が調節されて目標の低温T1が得ら
れる。

膨張弁１５は当初その開度が大きく、従つて冷
却能力も大きく、次第に段階的に絞られるので、
きわめて速やかに目標低温に近づき、目標低温に
近づいてから比例制御により開度調節されるので
円滑な温度制御が実現され、また、その比例制御
はオーバシユートやアンダーシユートが実質上な
い状態で行われるので、更に円滑な温度制御が達
成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来恒温制御に比べると熱的
衝撃が殆ど無く、それでいて速やかに目標温度に
接近して円滑な温度制御でもつて目標低温を得る
ことができる。従つてまた、本発明はとりわけ環
境試験装置に有利に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の１実施例を示すフローチ
ヤート、第２図は本発明装置の構成を示すブロツ
ク図、第３図は本発明装置の１例を低温恒温器に
適用した状態の全体概略図、第４図は温度降下曲
線を示す図である。 １…冷凍回路、１２…フアン、１５…開度可変
型の膨張弁、２…弁駆動装置、２１…ステツプモ
ータ、２２…パルス出力ジエネレータ、３…温度
検出器、４…目標低温入力器、５…マイクロコン
ピユータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷凍装置により目標個所に目標低温を得る方
   法であつて、冷凍回路中の蒸発器用の膨張機構に
   開度可変型の膨張機構を用い、該膨張機構開度を
   前記目標低温を得るための開度より大きい開度か
   ら段階的に絞るようにし、該膨張機構絞り操作
   は、そのときの膨張機構開度における前記目標個
   所の温度降下勾配が予め定めた緩やかさに到達す
   ると一段小さい膨張機構開度へ向け行うように
   し、前記各膨張機構絞り操作のあとには前記目標
   個所の温度が予め定めた比例制御のための比例帯
   に到達しているか否かを判断し、前記目標個所の
   温度が該比例帯に到達していない間は前記膨張機
   構絞り操作と前記比例帯に到達したか否かの判断
   を繰り返し、前記目標個所の温度が前記比例帯に
   到達すると、以後は前記目標個所の温度を前記目
   標低温に向けて比例制御することを特徴とする方
   法。 ２ 前記目標個所の温度降下勾配の予め定めた緩
   やかさを、そのときの膨張機構開度における温度
   降下初期の温度降下勾配を基準として、該基準値
   の予め定めた割合とする特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ３ 前記比例制御を、前記目標個所の温度が最初
   に前記比例帯に到達した時点から該目標個所の温
   度を予め決めた時間間隔で測定して予め定めた測
   定回数毎に該測定値の平均値を求め、該平均値を
   求める毎に該平均値と前記目標温度との差に応じ
   て、予め用意した複数種の比例制御のための基準
   調整量から一つの基準調整量を選択して行う特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ４ 蒸発器用の膨張機構として開度可変型膨張機
   構を用いた冷凍回路と、 前記膨張機構の開度を調節するための膨張機構
   駆動手段と、 目標低温にすべき目標個所の温度を検出する温
   度検出手段と、 目標低温設定手段と、 前記膨張機構の初期開度設定手段と、 前記温度検出手段により検出される温度に基づ
   いて前記目標個所のそのときの膨張機構開度にお
   ける温度降下初期の温度降下勾配を基準値として
   求める基準値設定手段と、 前記基準値設定手段により前記温度降下初期の
   温度降下勾配が求められたあと、さらに、前記温
   度検出手段により検出される温度に基づいて前記
   目標低温にすべき個所の温度降下勾配を求める温
   度降下勾配検出手段と、 前記基準値設定手段により求められた基準値と
   前記温度降下勾配検出手段により求められた値と
   を比較して、後者の値が前者基準値に対し予め定
   めた割合に到達していると前記膨張機構駆動手段
   に膨張機構を予め定めた量絞るように駆動信号を
   発し、到達していないときには前記温度降下勾配
   検出手段に検出指示信号を発する第１比較手段
   と、 前記駆動信号に基づいて前記膨張機構駆動手段
   により前記膨張機構が予め定めた量絞られたあと
   前記温度検出手段により検出される温度と前記目
   標低温との差を求める温度差検出手段と、 比例制御のための比例帯を設定する手段と、 前記温度差検出手段により求めた温度差と前記
   比例帯の幅とを比較して、前記目標低温にすべき
   個所の温度が該比例帯に到達したか否かを判断
   し、到達していると比例制御指示信号を出力し、
   到達していないと前記基準値設定手段に基準値設
   定指示信号を出力する第２比較手段と、 前記第２比較手段からの比例制御指示信号を受
   けて前記膨張機構駆動手段に比例駆動信号を出力
   する比例制御手段、 を備えたことを特徴とする冷凍装置。 ５ 前記比例制御手段が、前記第２比較手段から
   の比例制御指示信号を受けた時点から前記温度検
   出手段により検出される温度に基づいて前記目標
   個所の温度を予め決めた時間間隔で測定して予め
   定めた測定回数毎に該測定値の平均値を求める手
   段と、前記平均値を求める手段から平均値が入力
   される毎に、予め用意した複数種の比例制御のた
   めの基準調整量から、前記平均値と前記目標温度
   との差に応じて、一つの基準調整量を選択して該
   基準調整量に基づいて前記膨張機構駆動手段に比
   例駆動信号を出力する手段とを含んでいる特許請
   求の範囲第４項記載の冷凍装置。