JPH083879Y2 - 熱交換器における自動温度制御装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この考案は、加熱流体から被加熱物に熱交換する熱交
換器において、熱交換後に被加熱物の温度を自動的に一
定値に制御する装置に関する。

〈従来技術〉 従来、上記の装置としては例えば第３図に示すような
ものがあった。同図において、２は熱交換器であって、
加熱流体入口2aから供給した加熱流体、例えば蒸気と、
被加熱物入口2bから供給した被加熱物との間で熱交換を
行ない、熱交換後の被加熱物を被加熱物出口2cから送出
するものである。熱交換器に供給される加熱流体は、制
御弁４によって温度制御がなされたものである。この制
御弁としては、ゲージ型、トップガイド型等の直動式、
あるいはバタフライ型、ボール型等の回転式の弁が用い
られ、その弁開度を調整することによって加熱流体の温
度制御を行なっており、この弁開度制御のために、空気
式または電気式の駆動部６が設けられている。この弁開
度の調整は、熱交換器２の被加熱部出口2cに設けた温度
センサ８によって検出した出口側の被加熱物の温度（以
下、検出温度と称する。）をPIDコントローラ10に入力
し、このPIDコントローラ10に予め設定されている出口
側の被加熱物の温度（以下、設定温度と称する。）と検
出温度との偏差が０となるように駆動部６をPID制御す
ることによって行なわれている。

〈考案が解決しようとする課題〉 上記のような装置において、熱交換器出口側での被加
熱物の温度変化の原因としては、加熱流体の圧力変化に
伴う温度変化、被加熱物の流量の変化または被加熱物の
温度の変化が挙げられる。このような原因の発生状況と
しては、加熱流体の圧力変化に伴う温度変化のみが生じ
る場合と、被加熱物の流量変化または被加熱物の温度変
化のみが生じる場合と、加熱流体の圧力変化に伴う温度
変化と被加熱物の流量変化または温度変化とが同時に生
じる場合とがある。これら変動はPIDコントローラ10に
よって補正するが、加熱流体の圧力変化に伴う温度変化
を補正するのに最適なPID定数と、被加熱物の流量変化
または温度変化を補正するために最適なPID定数と、加
熱流体の圧力変化に伴う温度変化と被加熱物の流量また
は温度変化の双方を補正するために最適なPID定数と
は、それぞれ異なっており、これら全ての場合について
PIDコントローラ10によって対応しようとすると制御が
複雑になるという問題点があった。

〈課題を解決するための手段〉 この考案は上記の問題点を解決するためになされたも
のであって、加熱流体の圧力を予め設定された設定圧力
に自己調整する自己調整弁としての減圧弁と、この減圧
弁の設定圧力を変更する設定圧力変更手段と、上記減圧
弁から送出された上記加熱流体から被加熱物に熱交換さ
せる熱交換器と、この熱交換器から送出された上記被加
熱物の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手
段の出力に基づいて上記熱交換器から送出される熱交換
後の上記被加熱物の温度が予め設定された被加熱物の設
定温度に収斂するように上記設定圧力変更手段を制御す
る制御部とを、具備するものである。

〈作用〉 この考案によると、熱交換器に供給される加熱流体の
圧力は、減圧弁によって設定圧力に自己調整されてい
る。加熱流体の圧力とその温度とには相関関係があるの
で、加熱流体の圧力が一定値に維持されているというこ
とにより、加熱流体の温度も或る一定値に維持されてい
ることになる。即ち、熱交換器に供給されている加熱流
体の温度は、一定値に維持されている。一方、制御部は
温度検出手段によって検出された熱交換後の被加熱物の
温度に基づいて、予め設定された被加熱物の設定温度に
収斂するように設定圧力変更手段を制御し、減圧弁の設
定圧力を変化させる。

〈実施例〉 第１図において、12は熱交換器で、12aは加熱流体入
口、12bは被加熱物入口、12cは被加熱物出口である。こ
の加熱流体入口12aには、減圧弁14を介して加熱流体が
供給される。この減圧弁14は、その設定圧力が駆動部16
によって変更できるように構成されている。そして、そ
の制御はPIDコントローラ18が行なっている。20は、そ
の制御に用いるための温度センサで、熱交換器12の被加
熱部出口12cに設けられている。

減圧弁14び駆動部16は、例えば第２図に示すように構
成されている。即ち、本体21内の上部に設けたモータ22
の回転を減速器24、スプライン軸26を介して調節ねじ28
に伝達すると、調節ねじ28の先端に削設されたおねじ30
は、本体21内に固定しためねじ部32に螺合しているの
で、調節ねじ28は降下し、調節ねじ28の先端に当接して
いるボール34、ばね受け36を介して圧力調整ばね38の一
端を圧縮する。この圧縮によって、圧力調整ばね38の他
端に設けられているばね受け40を介してダイヤフラム42
を圧縮し、パイロットガイド44を降下させ、パイロット
弁46をコイルばね48の作用力に抗して押し下げる。この
状態において、導入口49から加熱流体、例えば蒸気が導
入されると、この蒸気の一部は、第１の通路50を通って
パイロット弁46の下方の部屋に入り、開かれたパイロッ
ト弁46、第２の通路52を通ってピストン54の上方の部屋
に入る。これによってピストン54はコイルばね55の作用
力に抗して降下し、主弁体56を開く。導入口49から導入
された１次圧蒸気の大部分は開かれた主弁体56を介して
２次圧蒸気として送出口58から熱交換器12に送出され
る。この２次圧蒸気の一部は第３の通路60を通ってダイ
ヤフラム42の下部の部屋に入る。この２次圧蒸気の圧力
が圧力調整ばね38で設定した設定圧力よりも高いと、ダ
イヤフラム42はコイルばね48の作用力に抗して押し上げ
られ、パイロット弁46の開度が小さくなる。従ってピス
トン54にかかる蒸気圧が小さくなり、コイルばね55の作
用力によって主弁体56の開度が小さくなり、２次圧を小
さくして、設定圧力に保持する。一方、２次圧が設定圧
力よりも小さいと、上記と逆の動作で２次圧を大きくし
て、設定圧力に保持する。このように、減圧弁10では、
圧力設定ばね38によって設定した設定圧力に２次圧が自
己調整される。

なお、62は、主弁体56を包囲するように配置した筒状
体で、この筒状体62の外周面と本体21の内壁面との間に
蒸気導入通路の形態でセパレータ部64が設けられてい
る。このセパレータ部64は、導入口49から導入した蒸気
から復水を分離するためのものである。分離された復水
は本体21の底部に溜るが、この溜った復水が所定量より
多くなると、フロート66が排水弁座68から離座して、排
水弁座68から復水を外部に排出する。70はフロートカバ
ーである。フロート66、排水弁座68、フロータカバー70
等がスチームトラップを構成している。

圧力設定は、上述したようにモータ22によって圧力調
整ねじ28を移動させることによって行なわれる。このモ
ータ22の制御をPIDコントローラ18が行なっている。こ
のPIDコントローラ18は、入口側の被加熱物の流量の変
化または温度の変化があった場合、PIDコントローラ18
に入力されている設定温度に出口側の被加熱物の温度が
保持されるように、予め定めたPID定数と温度センサ20
の出力に基づいてPID制御を行なう。このPID制御に用い
るPID定数は、被加熱物の流量または温度が変化した場
合、速やかに設定温度に収斂させるのに最適な値に選択
されている。

このように構成した熱交換器における自動温度制御装
置によれば、例えば加熱流体の温度のみが変化した場
合、減圧弁14が自己調整するので、熱交換器12に供給さ
れる加熱流体の圧力は設定圧力に保持されている。加熱
流体における圧力と温度との間には相関関係があるの
で、圧力が一定である限り、その加熱流体の温度も一定
値に保持されている。即ち、熱交換器12に供給される加
熱流体の温度は一定値に保持される。

また、被加熱物の流量または温度が変化した場合、熱
交換器の被加熱物の出口側温度は変化するが、この温度
変化は減圧弁14の自己調整によって加熱流体の温度が一
定に保持されているので、純粋に被加熱物の流量または
温度変化に基づくものである。この温度変化は温度セン
サ20によって検出され、PIDコントローラ18に供給され
る。PIDコントローラ18は、温度センサ20の出力と、予
め設定されている設定温度と、PID定数とに基づいて駆
動部16を制御して、減圧弁14の設定圧力を変更し、即
ち、熱交換器12に供給される加熱流体の温度を制御し
て、熱交換器の出口側温度を設定温度に保つ。

また、加熱流体の温度と、被加熱物の流量または温度
が共に変化した場合、加熱流体の温度変化は減圧弁の自
己調整によって補正されているので、結局被加熱物の流
量または温度が変化した場合と同様となり、PIDコント
ローラ18が駆動部16を上述したのと同様に制御して、熱
交換器の出口側温度を一定値に保持する。

上記の実施例では、駆動部はモータ22を用いた電気式
としたが、空気式のものを用いることができる。また、
PIDコントローラ18を用いて、PID制御を行なったが、他
の制御方式例えばＰ制御、PI制御を行なってもよい。

〈考案の効果〉 以上のように、この考案によれば、自己調整弁として
の減圧弁によって圧力を設定圧力に自己調整した加熱流
体を熱交換器に供給しているので、減圧弁に供給される
加熱流体の圧力や負荷（被加熱流体の量や温度）が変動
しても、熱交換器に供給される加熱流体の圧力、ひいて
は温度は一定に維持される。従って、制御部は、加熱流
体の温度変化について考慮する必要がなく、被加熱物の
流量または温度変化による熱交換器の出口側温度変化を
速やかに収斂させるようにのみ制御すればよいので、制
御が簡単になる。

例えば、第３に示した従来のものでは、第４図（ａ）
に示すように被加熱物の流量が増加すると、同図（ｂ）
に示すように制御弁４の出口圧力が減少する。被加熱物
の流量が増加しただけなら、同図（ｃ）に点線で示すよ
うに熱交換器２の出口温度が下がるだけであるが、制御
弁４の出口圧力も下っているので、被加熱物の流量の増
加と制御弁４の出口圧力の低下が相まって同図（ｃ）に
実線で示すように熱交換器２の出口温度が低下する。こ
のように２つの因子の相乗効果による温度低下をPIDコ
ントローラ10が制御しなければならないので、その制御
が複雑になる。

これに対し、この考案では、第５図（ａ）に示すよう
に被加熱物の流量が増加しても、同図（ｂ）に示すよう
に減圧弁14の出口圧力は自己調整され、設定圧力に維持
される。従って、同図（ｃ）に示すように熱交換器の出
口温度は、被加熱物の流量の変化した分だけ低下する。
この低下だけを制御部（PIDコントローラ18）が設定圧
力を変更することによって補正すればよいので、制御が
簡単になる。なお、被加熱物の温度が変化した場合も同
様である。

また、この実施例では、自己調整弁として、セパレー
タとスチームトラップとを一体化させた減圧弁を用いて
いる。従って、加熱流体（蒸気）に含まれている水滴
が、これらセパレータとスチームトラップによって除去
され、熱交換器には供給されないので、熱交換器に供給
される蒸気の乾き度は常に一定に保持され、乾き度の変
動による出口温度の変動も生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案による熱交換器における自動温度制御
装置の１実施例の概略図、第２図は同実施例に用いる減
圧弁の縦断面図、第３図は従来の熱交換器における自動
温度制御装置の概略図、第４図は従来の自動温度制御装
置の各部の圧力及び温度変化状態を示す図、第５図はこ
の実施例の各部の圧力及び温度変化状態を示す図であ
る。 12……熱交換器、14……減圧弁（自己調整弁）、16……
駆動部（設定圧力変更手段）、18……PIDコントローラ
（制御部）、20……温度センサ（温度検出手段）。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱流体の圧力を予め設定された設定圧力
   に自己調整する自己調整弁としての減圧弁と、この減圧
   弁の上記設定圧力を変更する設定圧力変更手段と、上記
   減圧弁から送出された上記加熱流体から被加熱物に熱交
   換させる熱交換器と、この熱交換器から送出される熱交
   換後の上記被加熱物の温度を検出する温度検出手段と、
   上記温度検出手段の出力信号に基づいて上記熱交換器か
   ら送出される熱交換後の上記被加熱物の温度が予め設定
   された被加熱物の設定温度に収斂するように上記設定圧
   力変更手段を制御する制御部とを、具備する熱交換器に
   おける自動温度制御装置。