(57)【要約】    【課題】  各種プラントの熱冷媒の供給系統に関して、循環回路で構成する場合、昨今供給温度の精密な温度制御が要求されている。    【解決手段】  循環系において、戻り冷熱媒を冷却器９で一旦設定値以下に下げ、貯槽部１にて１段目の加熱制御４、更に供給体６の手前で、２段目の加熱制御５を行う温度制御系を組む。  その結果、外乱要素となる、戻り流量・温度変動、冷却温度変動が１段目の加熱部４でほとんど吸収され、２段目の加熱器５で精密温度制御することにより、精密な温度制御要求にも対応可能となる。【選択図】  図１
2006097948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業プラントに利用される冷熱媒循環系において、
供給体からの戻り冷媒体を一旦、最終目標温度以下の温度まで十分に冷却するための冷却装置と、
該冷却装置で冷却された戻り冷熱媒を貯め、貯められた冷熱媒を前記最終目標温度の近傍温度に加熱制御する１段目の加熱装置を備えた貯槽と、
該貯槽において最終目標温度の近傍温度に加熱制御された冷熱媒を前記貯槽から送り出して前記供給体へと循環させる循環ポンプ手段と、
該循環ポンプ手段から送り出された冷熱媒を前記供給体への手前において前記最終目標温度に温度制御する２段目の加熱装置とを備えたことを特徴とする冷熱媒循環系。
【請求項２】
前記循環ポンプ手段から送り出された熱冷媒の一部を前記貯槽に戻すバイパスを設けたことを特徴とする請求項１記載の冷熱媒循環系。
【請求項３】
前記冷却装置は、流下液膜方式の熱交換器であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷熱媒循環系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な産業プラントに利用される循環水等の冷熱媒循環系における循環冷熱媒の精密温度制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種プラントの内部にある一定の温度の単相状態の冷熱媒の循環供給が要求される場合、最も簡略に構成するには、加熱／冷却装置１台と組み合わせて循環回路を組むのが一般的である。図５に一般的な加熱／冷却回路の使用例を示す。図５において、貯槽５１等に蓄えられた冷熱媒５２はポンプ５３等により循環され、加熱／冷却器５４により直接温度調節されて、負荷側（供給体）５５へ送られる。図５では加圧にポンプ５３、熱交換に間接的な加熱／冷却装置５４としているが、これらの機器以外を使用したものもある。
【０００３】
冷熱媒５２には様々な単相流体が用いられるが、一番簡単な例は水である。図５では、目標温度（例えば２８℃）に対して、供給前の水を加熱／冷却することにより目標温度に調整するものである。なお、図５の様な事例では単純な１次遅れ系のループとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
昨今の冷熱媒循環供給系では、冷熱媒供給温度の精密制御に対する要求が高まり、その制御される温度の精度も高まってきている。例えば、真空容器内部に温度パネルを設け、その温度パネルに供給・循環させる温水の温度変動を１時間あたり±０．２℃以下に制御する要求もある。また装置によっては変動幅１／１００℃以下の温度制御能力の要求のあるものもある。
【０００５】
このような精密温度制御の要求に対して、制御回路を設計する場合、通常一般の事業所に保有の設備を用いて温水の加熱／冷却を行うことが望ましく、手段として電気ヒータによる加熱やチラー設備を利用した冷却器が一般的である。ところが、チラー設備はよほど高度な運転制御を行うもの以外は定常運転においても供給温度が±１〜２℃変化することは一般的であり、これを冷熱媒温度制御に組み、且つ、精密温度制御を行うことは事実上難しい。チラー設備の温度変化が直接的に、循環冷熱媒温度の変動として表れてくるからである。
【０００６】
仮に、流体の循環流量や加熱／冷却温度差がマッチングして冷却器／加熱器のみで定常制御出来たとしても、精密な温度制御が要求される条件下では、制御変数の比例項Ｐ、積分時間Ｉ、微分時間Ｄが極めて極端な値になり、外乱に対して安定度が犠牲になる傾向になり、様々な変動（外乱）要因に対して、変動幅が１／１００℃のオーダで制御を行う安定したシステムにはならない。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、様々な変動（外乱）要因に対して、変動幅が１／１００℃のオーダで制御を安定して行うことができるようにした、様々な産業プラントに利用される循環水等の冷熱媒循環系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、戻ってきた冷熱媒を先に目標温度に対して十分に一律冷却する。その冷却された状態で、熱容量の比較的大きいバッファー部分を構成し、温度の変動を慣らすと共に、最終目標制御温度近傍まで加熱により温度制御（ＴＩＣ）を行う（１段目の加熱）。１段目の加熱された冷熱媒は、各個別回路における最終設定値にすべく、個別ヒータにて温度制御（ＴＩＣ）を行う（２段目の加熱）にて最終的に目標温度近傍にて温度制御され、精密に温度制御された冷熱媒として負荷側へ供給される。
【０００９】
制御系としては、１次おくれ系の制御を直列に連続２段行うことになる。しかも１段目が非常に外乱要素（戻り温度の変化、冷却源の温度変化ｅｔｃ．）に対して比較的乱れにくい様な熱容量の制御設計とし、２段目の制御回路に変動に対する制御応答性を高めたハード構成とする。そして、同時に制御変数の比例項Ｐ、積分時間Ｉ、微分項Ｄの数値を１段目と２段目とで役割を変えることにより、１段目を変動吸収、２段目を精密制御とするＰＩＤの値を選択して制御を行う。
【００１０】
また、本発明は、産業プラントに利用される冷熱媒循環系において、供給体からの戻り冷媒体を一旦、最終目標温度以下の温度まで十分に冷却するための冷却装置と、該冷却装置で冷却された戻り冷熱媒を貯め、貯められた冷熱媒を前記最終目標温度の近傍温度に加熱制御する１段目の加熱装置を備えた貯槽と、該貯槽において最終目標温度の近傍温度に加熱制御された冷熱媒を前記貯槽から送り出して前記供給体へと循環させる循環ポンプ手段と、該循環ポンプ手段から送り出された冷熱媒を前記供給体への手前において前記最終目標温度に温度制御する２段目の加熱装置とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記循環ポンプ手段から送り出された冷熱媒の一部を前記貯槽に戻すバイパスを設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記冷却装置は、流下液膜方式の熱交換器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷却器および１段目の加熱、２段目の加熱方式で、且つ１段目の加熱の熱容量を比較的大きく取ることで、循環の外乱に影響されにくい、様々な産業プラントに利用される循環水等の冷熱媒循環系における精密温度制御系とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る様々な産業プラントに利用される循環水等の冷熱媒循環系の実施の形態について図１乃至図４を用いて説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の最も簡単な第１の実施の形態について図１を用いて説明する。図１には本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の最も簡単な第１の実施の形態を示す。第１の実施の形態としては温水の循環回路（循環系）を想定する。１は冷熱媒貯槽、２は循環ポンプ、３は圧力計、４は１段目の加熱器（１段目の加熱装置）（水槽ヒータ）（例えばサイリスタ制御によるフランジヒータ）、５は２段目の加熱器（２段目の加熱装置）（個別ヒータ）（例えばサイリスタ制御によるフランジヒータ）、６は供給体（負荷側）、７は１段目の温度計、８は２段目の温度計、９は冷却器（冷却装置）を示す。そして、供給体（負荷側）６への供給温度設定値θ３を２６．００℃とする。循環ポンプ２に供給される温水は、１段目の温度計７および温度変換器１０によって温度計測され、ＰＩＤ制御１１によりサイリスタ１２を制御することによって貯槽１内の１段目の加熱器４にてθ２＝約２２．０℃に温度制御される。このように供給された温水は、ポンプ２により昇圧され、圧力計３で計測される圧力に基いてバイパス弁１７等にて圧力調整されたのち、２段目の温度計８および温度変換器（精密級）１４によって精密に温度計測され、ＰＩＤ制御１５によりサイリスタ１６を制御することによって２段目の加熱器５にて最終目標温度θ３である２６．００℃に精密温度制御される。供給体（負荷側）６からの温度θ０の戻りの温水は、冷却器９により一旦、最終目標温度設定値以下の温度θ１＝１７℃近傍まで十分に冷却されて貯槽１へ戻る。ポンプ２のバイパス１８から直接貯槽１に戻る温水は、１段目の加熱器４の部分に戻され、内部を攪拌し、１段目の加熱器４の温度制御性を高めている。この第１の実施の形態では、１段目、２段目の加熱には、ＰＩＤ制御１１、１５に基く電気ヒータのサイリスタ制御とした実施の形態を示している。
【００１６】
この系での温度外乱は、戻り温水の流量Ｆ１と温度θ０の時間変動Δθ０、および冷却器９での冷却温度θ１の時間変動Δθ１、外部との放熱・入熱変動であるが、実プラントでは、これら外乱をすべて１段目の加熱器４の部分の貯槽熱容量と１段加熱器４の温度制御で吸収するように、貯槽１の熱容量Ｍ１の設計を行う。即ち、温度外乱である冷却器９における温度変化を検知し、該検知された温度変化がある変動を越えたときには、上記貯槽１内における熱バランス（冷却器９から出る温度θ１、貯槽１から出る温度θ２、水槽１への流入水量（定常時）Ｆ１（kg/s）、循環水の代表比熱Ｃｐ（kJ/kgK）、水槽側熱容量Ｍ１）を内部計算により推定し、該推定した熱バランスの結果から１段目の加熱器４のＰＩＤ温度制御の比例項Ｐを自動的に変えて入力熱量Ｑ12を制御する。これにより戻り温水の外乱、冷却器の温度外乱の影響がほとんど無い温水が２段目の加熱器５へ供給され、残りの微少な温度制御を２段目の加熱器５で行うことにより、１／１００℃レベルの温度調整を行うことが可能となる。
【００１７】
即ち、供給体（負荷側）６から戻ってきた冷熱媒を冷却器９において先に目標温度に対して十分に一律冷却する。その冷却された状態で、貯槽１において、熱容量の比較的大きいバッファー部分を構成し、温度の変動を慣らすと共に、最終目標制御温度近傍まで加熱により温度制御（ＴＩＣ）を行う（１段目の加熱４）。
【００１８】
１段目の加熱された冷熱媒は、各個別回路における最終目標設定値にすべく、個別ヒータ５にて温度制御（ＴＩＣ）を行う（２段目の加熱５）にて最終的に目標温度近傍にて精密に温度制御され、該精密に温度制御された冷熱媒として負荷側６へ供給される。
【００１９】
制御系としては、後述する（１）式および（２）式で示すような１次遅れ系の制御を直列に連続２段で行うことになる。しかも１段目の加熱４が非常に温度外乱（戻り温度の変化、冷却源の温度変化ｅｔｃ．）に対して比較的乱れにくい様な熱容量の制御設計とし、２段目の制御回路に変動に対する制御応答性を高めたハード構成とする。そして、同時に制御変数の比例項Ｐ、積分時間Ｉ、微分項Ｄの数値を１段目と２段目で役割を変えることにより、１段目を変動吸収、２段目を精密制御とするＰＩＤの値を選択して制御を行う。
【００２０】
［第２の実施の形態］
本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第２の実施の形態について図２を用いて説明する。図２には本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第２の実施の形態（チラー冷却器一体式）を示す。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と相違する点は、冷却に工場チラー水を用いたものである。
【００２１】
［第３の実施の形態］
本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第３の実施の形態について図３を用いて説明する。図３には本発明に係る冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第３の実施の形態（チラー冷却器（流下液膜式））を示す。第３の実施の形態において、第２の実施の形態と相違する点は、冷却に工場チラー水を用いたものにおいて流下液膜式熱交換器２０で構成したものである。この場合、図４に示すように、流下液膜式熱交換器２０の入口にはディストリビュータ２１が備えられている。
【００２２】
本システムでは、チラー水の温度変化（１〜１．５℃）に対して温度変動を十分吸収し、精密温度制御が可能となると共に、各温度制御の設定値を変更させることで、供給温度１０〜５５℃程度まで変化させ、且つ、精密に温度調整可能である。
【００２３】
次に、図４を用いて具体的に説明する。θ０〜θ３は、各系統からチラー冷却器９に入る温度、チラー冷却器９から出る温度、貯槽１から出る温度、第２段加熱器５から各系統へ出る温度であり、各々温度計（一部図示せず）によって計測される。Ｆ１は水槽１への流入水量（定常時）（kg/s）であり、Ｆ３は個別ヒータ５から系統への水量（定常時）（kg/s）であり、各々計測される。Ｃｐは循環水の代表比熱（kJ/kgK）であり、既知の値である。Ｍ１は水槽側熱容量であり、Ｍ２は個別ヒータ側熱容量であり、設計値として取得することが可能となる。Ｑ01はチラー冷却器９での交換熱容量（kW）であり、Ｑ12は水槽ヒータでの入力熱量であり、Ｑ23は個別ヒータでの入力熱量（kW）であり、温度制御（ＴＩＣ）値として取得される。Ｑ12としては例えば３kW＋３kWが考えられ、Ｑ23としては例えば２kWが考えられる。なお、ｔは時間である。
【００２４】
そして、１段目の加熱器４の温度制御式としては、次の（１）式で表す１次遅れ系の制御が可能となる。なお、時定数である(Ｍ１／(Ｆ１・Ｃｐ))を大きくとることによって温度外乱を吸収することが可能となる。
【００２５】
θ２＝θ１＋（(Ｑ12／(Ｆ１・Ｃｐ))・(１−ｅ−ｔ／(Ｍ１／(Ｆ１・Ｃｐ)))）  （１）
２段目の加熱器５の温度制御式としては、次の（２）式で表す１次遅れ系の制御が可能となる。
【００２６】
θ３＝θ２＋（(Ｑ23／(Ｆ３・Ｃｐ))・(１−ｅ−ｔ／(Ｍ２／(Ｆ３・Ｃｐ)))）  （２）
以上説明した実施の形態によれば、冷却器９および１段目の加熱、２段目の加熱方式で、且つ１段目の加熱の熱容量を比較的大きく取ることで、循環の外乱に影響されにくい、様々な産業プラントに利用される循環水等の冷熱媒循環系における精密温度制御系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明  に係る循環水等の冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る循環水等の冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第２の実施の形態（チラー冷却器一体式）である。
【図３】本発明に係る循環水等の冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の構成の第３の実施の形態（チラー冷却器（流下液膜式））を示す図である。
【図４】本発明に係る冷熱媒循環系における１段目の加熱器の温度制御について説明するための図である。
【図５】従来の冷熱媒循環系における冷熱媒の精密温度制御の一般的な例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…冷熱媒貯槽（水槽）、２…循環ポンプ、３…圧力計、４…１段目の加熱器（１段目の加熱装置）（水槽ヒータ）、５…２段目の加熱器（２段目の加熱装置）（個別ヒータ）、６…供給体（負荷側）、７…１段目の温度計、８…２段目の温度計、９…冷却器（冷却装置）、１０…１段目の温度変換器、１１…１段目のＰＩＤ制御、１２…１段目のサイリスタ、１４…２段目の温度変換器（精密級）、１５…２段目のＰＩＤ制御、１６…２段目のサイリスタ、１７…バイパス弁、１８…バイパス、２０…流下液膜式熱交換器、２１…ディストリビュータ。
【図１】
2006097948.tif 000003
【図２】
2006097948.tif 000004
【図３】
2006097948.tif 000005
【図４】
2006097948.tif 000006
【図５】
2006097948.tif 000007