(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する複数の熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記流体が指令温度となるように前記複数の熱源装置を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記複数の熱源装置のうちの第１熱源装置を動作させるとともに前記複数の熱源のうちの第２熱源装置の出力を保持する処理と、
前記第１熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を減少させる処理と、
前記第１熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を上昇させる処理と、
を行い、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高い、温度制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御部は、
前記第２熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記複数の熱源のうちの第３熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を減少させる処理と、
前記第２熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第３熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を上昇させる処理と、
を行い、
前記第２熱源装置は、前記第３熱源装置よりも温度制御分解能が高い、温度制御装置。
【請求項３】
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する第１熱源装置と、
前記流体を加熱または冷却し、出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する第１熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する第２熱源装置制御部と、
を含み、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い、温度制御装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第２熱源装置制御部は、前記第１熱源装置制御部から出力された前記第１熱源装置を制御するための制御信号を取り込み、前記第１熱源装置の出力の情報を取得する、温度制御装置。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記第１熱源装置制御部は、前記第１熱源装置を比例制御および微分制御を組み合わせて制御し、
前記第２熱源装置制御部は、前記第２熱源装置を積分制御する、温度制御装置。
【請求項６】
複数の熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御する温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記複数の熱源装置のうちの第１熱源装置を動作させるとともに前記複数の熱源のうちの第２熱源装置の出力を保持する工程と、
前記第１熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を減少させる工程と、
前記第１熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を上昇させる工程と、
を含み、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高い、温度制御方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記複数の熱源のうちの第３熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を減少させる工程と、
前記第２熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第３熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を上昇させる工程と、
を含み、
前記第２熱源装置は、前記第３熱源装置よりも温度制御分解能が高い、温度制御方法。
【請求項８】
第１熱源装置および第２熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御す
る温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する工程と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する工程と、を含み、
前記第２熱源装置の出力能力は、前記第１熱源装置の出力能力以上であり、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い、温度制御方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記第２熱源装置を制御する工程では、前記第１熱源装置を制御するための制御信号を取り込み、前記第１熱源装置の出力の情報を取得する、温度制御方法。
【請求項１０】
請求項８または９において、
前記第１熱源装置を制御する工程では、前記第１熱源装置を比例制御および微分制御を組み合わせて制御し、
前記第２熱源装置を制御する工程では、前記第２熱源装置を積分制御する、温度制御方法。
【請求項１１】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の温度制御装置を含む、荷電粒子線装置。
【請求項１２】
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する第１熱源装置と、
前記流体を加熱または冷却し、出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する第１熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する第２熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第１熱源装置を制御する第３熱源装置制御部と、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第２熱源装置を制御する第４熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置を前記第１熱源装置制御部で制御し、前記第２熱源装置を前記第２熱源装置制御部で制御する第１制御と、前記第１熱源装置を前記第３熱源装置制御部で制御し、前記第２熱源装置を前記第４熱源装置制御部で制御する第２制御と、を切り替える切り替え部と、
を含み、
前記切り替え部は、前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定し、前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値よりも大きいと判定された場合に、前記第１制御から前記第２制御に切り替え、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い、温度制御装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記切り替え部は、前記第４熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の
割合を前記第２熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、前記第１制御から前記第２制御に切り替える、温度制御装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、
前記切り替え部は、前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値以下と判定された場合に、前記第２制御から前記第１制御に切り替える、温度制御装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記切り替え部は、前記第２熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を前記第４熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、前記第２制御から前記第１制御に切り替える、温度制御装置。
【請求項１６】
第１熱源装置、および出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御する温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する工程と、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から第２制御に切り替える工程と、
を含み、
前記第１制御では、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御し、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御し、
前記第２制御では、
前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第１熱源装置を制御し、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第２熱源装置を制御する、温度制御方法。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記第１制御から前記第２制御に切り替える工程では、前記第２制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を、前記第１制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させる、温度制御方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７において、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値以下と判定された場合に、前記第２制御から前記第１制御に切り替える工程を含む、温度制御方法。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記第２制御から前記第１制御に切り替える工程では、前記第１制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を前記第２制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させる、温度制御方法。
【請求項２０】
請求項１または２において、
前記熱源装置に供給される電力を調整する位相制御方式の交流電力調整器をさらに含み、
前記制御部は、前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づき求められた前記熱源装置に対する操作量と、前記熱源装置で発生する熱量と、の関係が線形となるように前記操作量を変換して前記交流電力調整器に出力する非線形補償器を有する、温度制御装置。
【請求項２１】
請求項３ないし５、１２ないし１５、のいずれか１項において、
前記第１熱源装置に供給される電力を調整する位相制御方式の交流電力調整器をさらに含み、
前記第１熱源装置制御部は、前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づき求められた前記第１熱源装置に対する操作量と、前記第１熱源装置で発生する熱量と、の関係が線形となるように前記操作量を変換して前記交流電力調整器に出力する非線形補償器を有する、温度制御装置。
【請求項２２】
請求項１２ないし１５、２０、２１、のいずれか１項に記載の温度制御装置を含む、荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御装置、温度制御方法、および荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡や荷電粒子ビーム描画装置等の荷電粒子線装置では、高精度の温度管理が必要である。例えば、電子顕微鏡や荷電粒子ビーム描画装置に用いられる電子レンズは、コイルに流れる電流による発熱を伴うため冷却の必要がある。このとき、電子レンズを冷却するための冷却水に許容される温度変動範囲は、きわめて小さい。そのため、電子顕微鏡や荷電粒子線装置に用いられる冷却水循環装置（冷却水の温度を制御する温度制御装置）には、冷却水に対して、高い温度安定性が求められる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、循環水（冷却水）を貯める水槽と、循環水を冷却する冷凍機と、循環水を加熱する電気ヒーターと、を備え、循環水が外部機器を冷却する冷却水循環装置であって、ヒーターをＯＦＦ状態にし、冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御して循環水の温度を制御する第１の運転モードと、冷凍機をＯＮ状態にし、ヒーターを用いて第１の運転モードよりも狭い温度変動幅で循環水を温度制御する第２の運転モードを備えることで、循環水の温度変動幅を適切に制御する冷却水循環装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４０６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、荷電粒子線装置等に用いられる冷却水循環装置（温度制御装置）には、冷却水に対して高い温度安定性が要求されるため、温度安定性に優れた温度制御装置が望まれている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、温度安定性を向上させることができる温度制御装置、および温度制御方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記温度制御装置を含む荷電粒子線装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明に係る温度制御装置は、
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する複数の熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記流体が指令温度となるように前記複数の熱源装置を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記複数の熱源装置のうちの第１熱源装置を動作させるとともに前記複数の熱源のうちの第２熱源装置の出力を保持する処理と、
前記第１熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を減少させる処理と、
前記第１熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を上昇させる処理と、
を行い、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高い。
【０００８】
このような温度制御装置では、後述するように、流体温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、流体温度の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば、温度制御分解能が低い第２熱源装置が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、このような温度制御装置では、温度安定性を向上させることができる。
【０００９】
（２）本発明に係る温度制御装置において、
前記制御部は、
前記第２熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記複数の熱源のうちの第３熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を減少させる処理と、
前記第２熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第３熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を上昇させる処理と、
を行い、
前記第２熱源装置は、前記第３熱源装置よりも温度制御分解能が高くてもよい。
【００１０】
このような温度制御装置では、後述するように、流体温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、流体温度の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば、温度制御分解能が低い第３熱源装置が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、このような温度制御装置では、温度安定性を向上させることができる。
【００１３】
（３）本発明に係る温度制御装置は、
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する第１熱源装置と、
前記流体を加熱または冷却し、出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する第１熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する第２熱源装置制御部と、
を含み、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い。
【００１４】
このような温度制御装置では、第２熱源装置制御部が第１熱源装置の出力が所与の値となるように第２熱源装置を制御するため、例えば指令温度が変わっても、第１熱源装置の出力を所与の値に保つことができ、第１熱源装置の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができる。
【００１９】
（４）本発明に係る温度制御装置において、
前記第２熱源装置制御部は、前記第１熱源装置制御部から出力された前記第１熱源装置を制御するための制御信号を取り込み、前記第１熱源装置の出力の情報を取得してもよい。
【００２０】
（５）本発明に係る温度制御装置において、
前記第１熱源装置制御部は、前記第１熱源装置を比例制御および微分制御を組み合わせて制御し、
前記第２熱源装置制御部は、前記第２熱源装置を積分制御してもよい。
【００２１】
このような温度制御装置では、第２熱源装置制御部の積分制御によって第１熱源装置の出力が所与の値に制御されたときに、指令温度と流体の温度との偏差も零とすることができる。
【００２２】
（６）本発明に係る温度制御方法は、
複数の熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御する温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記複数の熱源装置のうちの第１熱源装置を動作させるとともに前記複数の熱源のうちの第２熱源装置の出力を保持する工程と、
前記第１熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を減少させる工程と、
前記第１熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第２熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第２熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第１熱源装置の出力を上昇させる工程と、
を含み、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高い。
【００２３】
このような温度制御方法では、後述するように、流体温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、流体温度の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば、温度制御分解能が低い第２熱源装置が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、このような温度制御方法では、温度安定性を向上させることができる。
【００２４】
（７）本発明に係る温度制御方法において、
前記第２熱源装置の出力が上限値に達した場合に、前記複数の熱源のうちの第３熱源装置の出力を上昇させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を減少させる工程と、
前記第２熱源装置の出力が下限値に達した場合に、前記第３熱源装置の出力を減少させるとともに、前記第３熱源装置の出力の変化による熱量変化を相殺するように前記第２熱源装置の出力を上昇させる工程と、
を含み、
前記第２熱源装置は、前記第３熱源装置よりも温度制御分解能が高くてもよい。
【００２５】
このような温度制御方法では、後述するように、流体温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、流体温度の過渡的な応
答を抑制することができるため、例えば、温度制御分解能が低い第３熱源装置が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、このような温度制御方法では、温度安定性を向上させることができる。
【００２８】
（８）本発明に係る温度制御方法は、
第１熱源装置および第２熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御する温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する工程と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する工程と、を含み、
前記第２熱源装置の出力能力は、前記第１熱源装置の出力能力以上であり、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い。
【００２９】
このような温度制御方法は、第１熱源装置の出力が所与の値となるように第２熱源装置を制御するため、例えば指令温度が変わっても、第１熱源装置の出力を所与の値に保つことができ、第１熱源装置の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができる。
【００３４】
（９）本発明に係る温度制御方法において、
前記第２熱源装置を制御する工程では、前記第１熱源装置を制御するための制御信号を取り込み、前記第１熱源装置の出力の情報を取得してもよい。
【００３５】
（１０）本発明に係る温度制御方法において、
前記第１熱源装置を制御する工程では、前記第１熱源装置を比例制御および微分制御を組み合わせて制御し、
前記第２熱源装置を制御する工程では、前記第２熱源装置を積分制御してもよい。
【００３６】
このような温度制御方法では、第２熱源装置制御部の積分制御によって第１熱源装置の出力が所与の値に制御されたとき、指令温度と流体の温度との偏差も零とすることができる。
【００３７】
（１１）本発明に係る荷電粒子線装置は、
本発明に係る温度制御装置を含む。
【００３８】
このような荷電粒子線装置では、温度安定性を向上させることができる温度制御装置を含むことができる。
【００３９】
（１２）本発明に係る温度制御装置は、
流体の温度を制御する温度制御装置であって、
前記流体を加熱または冷却する第１熱源装置と、
前記流体を加熱または冷却し、出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置と、
前記流体の温度を測定する温度センサーと、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御する第１熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御する第２熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第１熱源装置を制御する第３熱源装置制御部と、
前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第２熱源装置を制御する第４熱源装置制御部と、
前記第１熱源装置を前記第１熱源装置制御部で制御し、前記第２熱源装置を前記第２熱源装置制御部で制御する第１制御と、前記第１熱源装置を前記第３熱源装置制御部で制御し、前記第２熱源装置を前記第４熱源装置制御部で制御する第２制御と、を切り替える切り替え部と、
を含み、
前記切り替え部は、前記温度センサーで測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定し、前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値よりも大きいと判定された場合に、前記第１制御から前記第２制御に切り替え、
前記第１熱源装置は、前記第２熱源装置よりも温度制御分解能が高く、かつ、前記第２熱源装置よりも温度制御範囲が狭い。
【００４０】
このような温度制御装置では、切り替え部が温度センサーで測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定し、当該偏差が所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から前記第２制御に切り替える。すなわち、このような温度制御装置では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合には、第１熱源装置を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）から、第２熱源装置を主に流体の温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）に切り替えることができる。したがって、このような温度制御装置では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【００４１】
（１３）本発明に係る温度制御装置において、
前記切り替え部は、前記第４熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を前記第２熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、前記第１制御から前記第２制御に切り替えてもよい。
【００４２】
このような温度制御装置では、第１制御から第２制御に切り替える際に、第２熱源装置の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができ
る。
【００４３】
（１４）本発明に係る温度制御装置において、
前記切り替え部は、前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値以下と判定された場合に、前記第２制御から前記第１制御に切り替えてもよい。
【００４４】
このような温度制御装置では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合には、第２熱源装置を主に流体の温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）から、第１熱源装置を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）に切り替えることができる。したがって、このような温度制御装置では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【００４５】
（１５）本発明に係る温度制御装置において、
前記切り替え部は、前記第２熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を前記第４熱源装置制御部による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、前記第２制御から前記第１制御に切り替えてもよい。
【００４６】
このような温度制御装置では、第２制御から第１制御に切り替える際に、第２熱源装置の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【００４９】
（１６）本発明に係る温度制御方法は、
第１熱源装置、および出力能力が前記第１熱源装置の出力能力以上である第２熱源装置を備えた温度制御装置を用いて、流体の温度を制御する温度制御方法であって、
測定された前記流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する工程と、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から第２制御に切り替える工程と、
を含み、
前記第１制御では、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第１熱源装置を制御し、
前記第１熱源装置の出力と前記第１熱源装置の出力範囲の中央値との偏差に基づいて、前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第２熱源装置を制御し、
前記第２制御では、
前記第１熱源装置の出力が前記中央値となるように前記第１熱源装置を制御し、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づいて、前記流体が前記指令温度となるように、前記第２熱源装置を制御する。
【００５０】
このような温度制御方法では、測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する工程と、当該偏差が所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から前記第２制御に切り替える工程と、を含む。すなわち、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合には、第１熱源装置を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）から、第２熱源装置を主に流体の温度
制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）に切り替えることができる。したがって、このような温度制御方法では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【００５１】
（１７）本発明に係る温度制御方法において、
前記第１制御から前記第２制御に切り替える工程では、前記第２制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を、前記第１制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させてもよい。
【００５２】
このような温度制御方法では、第１制御から第２制御に切り替える際に、第２熱源装置の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【００５３】
（１８）本発明に係る温度制御方法において、
測定された前記流体の温度と前記指令温度との偏差が前記所定値以下と判定された場合に、前記第２制御から前記第１制御に切り替える工程を含んでいてもよい。
【００５４】
このような温度制御方法では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合には、第２熱源装置を主に流体の温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）から、第１熱源装置を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）に切り替えることができる。したがって、このような温度制御方法では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【００５５】
（１９）本発明に係る温度制御方法において、
前記第２制御から前記第１制御に切り替える工程では、前記第１制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合を前記第２制御による前記第２熱源装置に対する操作量の割合に対して連続的に増加させてもよい。
【００５６】
このような温度制御方法では、第２制御から第１制御に切り替える際に、第２熱源装置の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【００５９】
（２０）本発明に係る温度制御装置において、
前記熱源装置に供給される電力を調整する位相制御方式の交流電力調整器をさらに含み、
前記制御部は、前記流体の温度と前記指令温度との偏差に基づき求められた前記熱源装置に対する操作量と、前記熱源装置で発生する熱量と、の関係が線形となるように前記操作量を変換して前記交流電力調整器に出力する非線形補償器を有してもよい。
【００６０】
このような温度制御装置では、例えば非線形補償器がない場合と比べて、制御性を高めることができる。
【００６１】
（２１）本発明に係る温度制御装置において、
前記第１熱源装置に供給される電力を調整する位相制御方式の交流電力調整器をさらに含み、
前記制御部は、前記流体の温度と指令温度との偏差に基づき求められた前記第１熱源装置に対する操作量と、前記第１熱源装置で発生する熱量と、の関係が線形となるように前記操作量を変換して前記交流電力調整器に出力する非線形補償器を有してもよい。
【００６２】
このような温度制御装置では、例えば非線形補償器がない場合と比べて、制御性を高めることができる。
【００６３】
（２２）本発明に係る荷電粒子線装置は、
本発明に係る温度制御装置を含む。
【００６４】
このような荷電粒子線装置では、温度安定性を向上させることができる温度制御装置を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態に係る温度制御装置を含む荷電粒子線装置の構成を模式的に示す図。
【図２】第１処理におけるヒーター、ホットガスバルブ、クールガスバルブの動作イメージ図。
【図３】第２処理におけるヒーター、ホットガスバルブ、クールガスバルブの動作イメージ図。
【図４】第３処理におけるヒーター、ホットガスバルブ、クールガスバルブの動作イメージ図。
【図５】第１実施形態に係る温度制御装置を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャート。
【図６】第２実施形態に係る温度制御装置の構成を模式的に示す図。
【図７】第２実施形態に係る温度制御装置を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャート。
【図８】第１ヒーターによる温度制御波形および第２ヒーターによる温度制御波形の一例を示す図。
【図９】第３実施形態に係る温度制御装置の構成を模式的に示す図。
【図１０】第３実施形態に係る温度制御装置の第１制御の状態を説明するための図。
【図１１】第３実施形態に係る温度制御装置の第２制御の状態を説明するための図。
【図１２】スイッチの動作を説明するための図。
【図１３】第３実施形態に係る温度制御装置を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャート。
【図１４】第４実施形態に係る温度制御装置を含む荷電粒子線装置の構成を模式的に示す図。
【図１５】位相制御方式の交流電力調整器の出力波形の一例を示す図。
【図１６】操作量ＭＶとヒーターの発生熱量Ｑとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００６７】
１．  第１実施形態
１．１．  温度制御装置の構成
まず、第１実施形態に係る温度制御装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る温度制御装置１００を含む荷電粒子線装置１０００の構成を模式的に示す図である。なお、図１において、流路２ａ，２ｂ，４２，４８に示す矢印は、各流路２ａ，２ｂ，４２，４８に流れる流体の流れの方向を示している。
【００６８】
温度制御装置１００は、流体の温度を制御するための装置である。温度制御装置１００は、循環水の温度を制御している。温度制御装置１００は、荷電粒子線装置１０００に組み込まれている。荷電粒子線装置１０００は、例えば、電子顕微鏡である。当該電子顕微鏡は、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等である。温度制御装置１００は、循環水の温度を制御して冷却対象１０１０に供給する。冷却対象１０１０は、例えば、電子顕微鏡の電子レンズや、当該電子レンズの電源、油拡散ポンプ等である。荷電粒子線装置１０００は、図示の例では、１つの冷却対象１０１０を有しているが、冷却対象１０１０の数は複数であってもよい。
【００６９】
温度制御装置１００は、図１に示すように、送水流路２ａと、戻水流路２ｂと、ポンプ４と、第１熱交換器６ａと、第２熱交換器６ｂと、温度センサー８と、第１熱源装置（ヒーター）１０と、第２熱源装置（ホットガスバルブ）２０および第３熱源装置（クールガスバルブ、電子膨張弁）３０を含む冷媒循環器４０と、制御部（コントローラー）５０と、を含む。
【００７０】
送水流路２ａは、循環水を冷却対象１０１０に送るための流路である。送水流路２ａは、第１熱交換器６ａおよび第２熱交換器６ｂで温度調整された循環水が流れる。送水流路２ａは、冷却対象１０１０に循環水を流通させるための流路１００２に接続されている。送水流路２ａから流路１００２を通って冷却対象１０１０に供給された循環水は、温度制御装置１００に戻る。
【００７１】
戻水流路２ｂは、冷却対象１０１０に供給されて温度制御装置１００に戻った循環水を、熱交換器６ａ，６ｂに導くための流路である。戻水流路２ｂは、冷却対象１０１０を流通した循環水を、ポンプ４を介して、熱交換器６ａ，６ｂに導く。
【００７２】
荷電粒子線装置１０００では、送水流路２ａ、流路１００２、および戻水流路２ｂによって、循環水を循環させるための循環流路が構成されている。循環流路は、循環水を温度制御装置１００と冷却対象１０１０との間で循環させるための流路である。
【００７３】
ポンプ４は、循環水を送るための送水ポンプである。荷電粒子線装置１０００では、ポンプ４によって、送水流路２ａ、流路１００２、および戻水流路２ｂからなる循環流路に循環水を循環させることができる。
【００７４】
第１熱交換器６ａは、冷媒循環器４０で冷却された冷媒ガスと循環水との間の熱交換により、循環水を冷却する。第１熱交換器６ａ内には、冷媒循環器４０の冷媒流路４２と戻水流路２ｂが通っており、冷媒流路４２を通る冷媒ガスと戻水流路２ｂを通る循環水との間で熱交換が行われる。第１熱交換器６ａで冷却された循環水は、第２熱交換器６ｂに送られる。
【００７５】
第２熱交換器６ｂは、ヒーター１０と第１熱交換器６ａで冷却された循環水との間の熱交換により、循環水を加熱する。第２熱交換器６ｂ内には、ヒーター１０が内蔵されており、ヒーター１０と戻水流路２ｂを通る循環水との間で熱交換が行われる。第２熱交換器６ｂで加熱されて温度調整された循環水は、冷却対象１０１０に送られる。
【００７６】
このように温度制御装置１００では、２つの熱交換器６ａ，６ｂによって循環水の温度調整が行われる。
【００７７】
温度センサー８は、送水流路２ａに設けられている。温度センサー８は、熱交換器６ａ，６ｂで温度調整され冷却対象に送られる循環水の温度を測定する。温度センサー８は、例えば、金属の電気抵抗値が温度変化によって変動することを利用したセンサーである。温度センサー８は、測定した循環水の温度の情報をコントローラー５０に送る。
【００７８】
ヒーター１０は、例えば、電流を供給することによってジュール熱を発生する発熱体である。ヒーター１０は、例えば、ニクロム線等で構成されている。第２熱交換器６ｂでは、ヒーター１０で発生した熱と循環水との間で熱交換が行われ、循環水が加熱される。ヒーター１０の発熱量は、ヒーター電源１２をコントローラー５０で制御することで制御される。
【００７９】
冷媒循環器４０は、循環式の冷却装置であり、液化された冷媒を気化・膨張させて冷却する。第１熱交換器６ａ内では、冷媒循環器４０で冷却された冷媒ガスと循環水との間で熱交換が行われ、循環水が冷却される。冷媒循環器４０は、冷媒流路４２と、コンプレッサー４４と、凝縮器４６と、ホットガスバルブ２０と、クールガスバルブ３０と、を含んで構成されている。
【００８０】
コンプレッサー４４は、第１熱交換器６ａ内での循環水との熱交換により温度が上昇した冷媒ガスを圧縮して、冷媒ガスの温度を上昇させる（断熱圧縮）。コンプレッサー４４で圧縮されて高温となった冷媒ガスの少なくとも一部は、凝縮器４６に送られる。
【００８１】
凝縮器４６は、コンプレッサー４４で高温となった冷媒ガスを冷却して液化する。凝縮器４６は、冷媒ガスを、冷却水供給流路４８を流れる冷却水との熱交換により、冷却し液化する。冷却水供給流路４８を流れる冷却水は、例えば、温度制御装置１００外部から供給される。凝縮器４６で液化した冷媒は、クールガスバルブ３０に送られる。
【００８２】
クールガスバルブ（電子膨張弁）３０は、液化した冷媒を減圧して低温のガスとする（断熱膨張）。クールガスバルブ３０を開くほど、低温の冷媒ガスの供給量は多くなる。クールガスバルブ３０の開度は、コントローラー５０によって制御される。クールガスバルブ３０で低温のガスとなった冷媒ガスは、ホットガスバルブ２０を介して、コンプレッサー４４で圧縮されて高温となった冷媒ガスと混合される。
【００８３】
ホットガスバルブ２０は、コンプレッサー４４で圧縮されて高温となった冷媒ガスの一部と、クールガスバルブ３０で低温のガスとなった冷媒ガスと、の混合比を調整するためのバルブである。ホットガスバルブ２０を開くほど高温の冷媒ガスの供給量が多くなる。ホットガスバルブ２０は、コントローラー５０によって制御される。混合された冷媒ガスは、第１熱交換器６ａに送られる。
【００８４】
ここで、ヒーター１０は、ホットガスバルブ２０よりも温度制御分解能（流体の温度制御に対する分解能）が高い。また、ホットガスバルブ２０は、クールガスバルブ３０よりも温度制御分解能が高い。ここで、温度制御分解能は、熱量変化に対する最小制御量と言い換えることができる。すなわち、ヒーター１０は、ホットガスバルブ２０よりも高精度に温度制御することができ、ホットガスバルブ２０は、クールガスバルブ３０よりも高精度に温度制御することができる。例えば、ホットガスバルブ２０を開度の最小可変単位で変化させたときの循環水の温度変化は、クールガスバルブ３０を開度の最小可変単位で変化させたときの循環水の温度変化よりも小さい。
【００８５】
コントローラー５０は、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、およびクールガスバルブ３０を制御する。コントローラー５０の制御例については後述する。コントローラー５０は、専用回路によって実現して後述する制御を行うように構成されていてもよい。また、コントローラー５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）がＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ
Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置に記憶された制御プログラムを実行することによってコンピューターとして機能し、後述される制御を行うように構成されていてもよい。
【００８６】
１．２．  温度制御装置の動作
次に、温度制御装置１００の動作について説明する。
【００８７】
温度制御装置１００は、温度制御された循環水をポンプ４で冷却対象１０１０に送り、冷却対象１０１０の温度を制御する。循環水の熱交換は、第１熱交換器６ａ、および第２熱交換器６ｂにおいて行われる。
【００８８】
第１熱交換器６ａ内の冷媒流路４２を流れる比較的低温の冷媒ガスは、第１熱交換器６ａ内での循環水との熱交換によって温度が上昇し、その後、コンプレッサー４４で圧縮され、さらに高温のガスとなる。この高温のガスは、凝縮器４６内の冷却水供給流路４８を流れる外部から供給された冷却水との熱交換により、冷却され液化する。液化した冷媒は、クールガスバルブ３０において減圧されて低温のガスとなる。クールガスバルブ３０を開くほど低温の冷媒ガスの供給量が多くなる。
【００８９】
一方、コンプレッサー４４で圧縮されて高温となった冷媒ガスの一部は、ホットガスバルブ２０を介して、クールガスバルブ３０で低温となった冷媒ガスと混合される。ホットガスバルブ２０を開くほど、高温の冷媒ガスの供給量が多くなる。クールガスバルブ３０の開度とホットガスバルブ２０の開度を制御することによって、第１熱交換器６ａを流れる冷媒ガスの温度と流量とを調整できる。
【００９０】
第１熱交換器６ａの後段の第２熱交換器６ｂ内には、ヒーター１０が内蔵されており、戻水流路２ｂを流れる循環水とヒーター１０との間で熱交換が行われる。コントローラー５０は、温度センサー８で測定された循環水の温度と指令温度との偏差をもとに、ヒーター電源１２の出力をフィードバック制御する。このとき、ヒーター１０の発生熱量が温度の偏差を補償するために不十分な場合、第１熱交換器６ａにおける循環水の熱交換の制御が行われる。第１熱交換器６ａにおける熱交換は、コントローラー５０が、クールガスバルブ３０の開度とホットガスバルブ２０の開度とを調整することによって行われる。このコントローラー５０の、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、クールガスバルブ３０の制御方法については以下の「１．３．  コントローラーの制御例」で説明する。
【００９１】
１．３．  コントローラーの制御例
次に、コントローラー５０の制御例について説明する。
【００９２】
（１）第１処理
コントローラー５０は、温度センサー８の測定結果に基づいてヒーター１０を動作させるとともに、ホットガスバルブ２０およびクールガスバルブ３０の出力を保持する処理（第１処理）を行う。
【００９３】
コントローラー５０は、温度センサー８で測定された循環水の温度と指令温度（設定温度、循環水の温度の目標値）との偏差をもとに、ヒーター電源１２の出力をフィードバック制御する。補償器としては、例えば、ＰＩＤ補償器を用いる。このとき、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の出力およびクールガスバルブ３０の出力を保持する。
指令温度の情報は、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されており、コントローラー５０は、記憶装置に記憶された指令温度の情報を読み出して、循環水の温度との偏差を求める。
【００９４】
図２は、コントローラー５０の第１処理の一例を説明するための、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、クールガスバルブ３０の動作イメージ図である。なお、図２は、循環水の指令温度が高められた場合であって、循環水の指令温度の変化が比較的小さい場合（ヒーター１０の温度制御範囲内の場合）を表している。
【００９５】
図２に示すように、初期状態では、ヒーター１０の出力が５０％、ホットガスバルブ２０の開度が５０％、クールガスバルブ３０の開度が５０％の状態で、循環水の温度が指令温度（初期値）で安定している。指令温度が初期値よりも高い温度に変更されると、コントローラー５０は、温度センサー８で測定された循環水の温度と指令温度との偏差をもとに、ＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）されるヒーター１０の出力を高める。このとき、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の開度およびクールガスバルブ３０の開度を５０％に保持する。これにより、循環水の温度が上昇し、循環水の温度を指令温度で安定させることができる。
【００９６】
（２）第２処理
コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が所与の出力値（第１出力値）に達した場合に、ホットガスバルブ２０の出力（開度）を変化させるとともに、ヒーター１０をホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる処理（第２処理）を行う。
【００９７】
ここで、ホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させるとは、具体的には、ホットガスバルブ２０の開度を変化させることで循環水の温度が低下する場合、ヒーター１０を循環水の温度が上昇するように動作させることをいう。また、例えば、ホットガスバルブ２０の開度を変化させることで循環水の温度が上昇する場合、ヒーター１０を循環水の温度が低下するように動作させることをいう。
【００９８】
コントローラー５０は、例えば、ヒーター１０の出力が１００％（上限値）に達した場合、または０％（下限値）に達した場合に、第２処理を行う。第２処理において、クールガスバルブ３０の出力（開度）は保持される。コントローラー５０は、例えば、ヒーター１０を制御するための制御信号から、ヒーター１０の出力の情報を取得する。
【００９９】
具体的には、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が１００％に達した場合、ホットガスバルブ２０を、あらかじめ設定された一定時間間隔で一定量ずつ開く処理を行う。コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０を一定量開く際に、ホットガスバルブ２０を一定量開くことによる循環水の温度上昇分の熱量を相殺するように、ヒーター１０の出力を減少させる。コントローラー５０は、例えば、ＰＩＤの各操作量のうち積分操作量を減じることによって熱量を相殺する。
【０１００】
一方、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が０％に達した場合、ホットガスバルブ２０を、あらかじめ設定された一定時間間隔で一定量ずつ閉じる処理を行う。コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０を一定量閉じる際に、ホットガスバルブ２０を一定量閉じることによる循環水の温度低下分の熱量を相殺するように、ヒーター１０の出力を増加させる。コントローラー５０は、例えば、ＰＩＤの各操作量のうち積分操作量を増やすことによって熱量を相殺する。
【０１０１】
なお、第１出力値は、１００％または０％に限定されない。例えば、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が８０％（上限値）に達した場合、または２０％（下限値）に達した場合に、第２処理を行ってもよい。
【０１０２】
ここで、ホットガスバルブ２０の開度と循環水に与えられる熱量とは線形ではないため、ホットガスバルブ２０の絶対開度の値と単位開度だけ開閉したときの熱量変化との関係を調査したうえで、テーブル等をあらかじめ記憶装置（図示せず）等に記録しておく。コントローラー５０は、記憶装置に記録されたテーブルを参照して、上述した第２処理を行う。
【０１０３】
なお、上述した例では、コントローラー５０が、第２処理において、ホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺するようにヒーター１０を動作させる場合について説明したが、ホットガスバルブ２０の動作条件を解消することを目的として、ホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向にヒーター１０を動作させれば、その相殺量は特に限定されない。
【０１０４】
すなわち、ヒーター１０による熱量変化の相殺量は、ホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を完全に相殺する量でなくてもよく、その相殺量は特に限定されない。例えば、ホットガスバルブ２０による熱量の変化量に対して、ヒーター１０による熱量の変化量が符号を変えて２倍以下であってもよい。このような場合でも、過渡的な温度変動を抑制することができる。
【０１０５】
図３は、コントローラー５０の第２処理の一例を説明するための、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、クールガスバルブ３０の動作イメージ図である。なお、図３は、循環水の指令温度が高められた場合であって、循環水の指令温度の変化が図２の例に比べて大きい場合（ホットガスバルブ２０の温度制御範囲内の場合）を表している。
【０１０６】
指令温度が初期値よりも高い温度に変更されると、コントローラー５０は、温度センサー８の測定結果に基づいて、ヒーター１０を動作させるとともに、ホットガスバルブ２０およびクールガスバルブ３０の出力を保持する第１処理を行う。これにより、図３に示すように、ヒーター１０の出力が増加し、循環水の温度が上昇する。
【０１０７】
そして、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が１００％に到達すると、ホットガスバルブ２０を一定量開くとともに、ホットガスバルブ２０を一定量開くことによる循環水の温度上昇分の熱量を相殺するようにヒーター１０の出力を減少させる第２処理を行う。この第２処理により、ヒーター１０の出力は減少するため、コントローラー５０は、再び、第１処理を行う。このとき、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０およびクールガスバルブ３０の開度を保持するため、ホットガスバルブ２０は一定量開いた状態で保持される。以上の動作により、循環水の温度が上昇し、循環水の温度を指令温度で安定させることができる。
【０１０８】
（３）第３処理
コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の出力が所与の出力値（第２出力値、第２開度）に達した場合に、クールガスバルブ３０の出力（開度）を変化させるとともに、ホットガスバルブ２０をクールガスバルブ３０の開度の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる処理（第３処理）を行う。
【０１０９】
なお、第２出力値は、１００％または０％に限定されない。例えば、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の出力が８０％（上限値）に達した場合、または２０％（下限値）に達した場合に、第３処理を行ってもよい。コントローラー５０は、例えば、ホッ
トガスバルブ２０を制御するための制御信号から、ホットガスバルブ２０の開度の情報を取得する。
【０１１０】
具体的には、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の開度が１００％になった場合、クールガスバルブ３０を、あらかじめ設定された一定時間間隔で一定量ずつ閉じる処理を行う。コントローラー５０は、クールガスバルブ３０を一定量閉じる際に、クールガスバルブ３０を一定量閉じることによる循環水の温度上昇分の熱量を相殺するように、ホットガスバルブ２０の開度を減少させる。
【０１１１】
一方、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の開度が０％になった場合、クールガスバルブ３０を、あらかじめ設定された一定時間間隔で一定量ずつ開く処理を行う。コントローラー５０は、クールガスバルブ３０を一定量開く際に、クールガスバルブ３０を一定量開くことによる循環水の温度低下分の熱量を相殺するように、ホットガスバルブの開度を増加させる。
【０１１２】
ここで、クールガスバルブ３０の開度と循環水に与えられる熱量とは線形ではないため、クールガスバルブ３０の絶対開度の値と単位開度だけ開閉したときの熱量変化との関係を調査したうえで、テーブル等をあらかじめ記憶装置（図示せず）等に記録しておく。コントローラー５０は、記憶装置に記録されたテーブルを参照して、上述した第３処理を行う。
【０１１３】
なお、上述した例では、コントローラー５０が、第３処理において、クールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を相殺するようにホットガスバルブ２０を動作させる場合について説明したが、クールガスバルブ３０の動作条件を解消することを目的として、クールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向にホットガスバルブ２０を動作させれば、その相殺量は特に限定されない。
【０１１４】
すなわち、ホットガスバルブ２０による熱量変化の相殺量は、クールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を完全に相殺する量でなくてもよく、その相殺量は特に限定されない。例えば、クールガスバルブ３０による熱量の変化量に対して、ホットガスバルブ２０による熱量の変化量が符号を変えて２倍以下であってもよい。このような場合でも、過渡的な温度変動を抑制することができる。
【０１１５】
図４は、コントローラー５０の第３処理の一例を説明するための、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、クールガスバルブ３０の動作イメージ図である。なお、図４は、循環水の指令温度が高められた場合であって、循環水の指令温度の変化が図２および図３の例に比べて大きい場合（クールガスバルブ３０の温度制御範囲内の場合）を表している。
【０１１６】
指令温度が初期値よりも高い温度に変更されると、コントローラー５０は、第１処理を行う。これにより、ヒーター１０の出力が増加する。そして、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が１００％に到達すると、第２処理を行う。この第２処理により、ヒーター１０の出力は減少し、コントローラー５０は、再び、第１処理を行う。
【０１１７】
ここで、循環水の温度制御値の変化が大きい場合、図４に示すように、コントローラー５０では、第１処理と第２処理とが繰り返される。
【０１１８】
第１処理と第２処理とが繰り返されることにより、ホットガスバルブ２０の開度が徐々に大きくなり、開度が１００％になると、コントローラー５０は、クールガスバルブ３０を、あらかじめ設定された一定時間間隔で一定量閉じるとともに、クールガスバルブ３０を一定量閉じることによる循環水の温度上昇分の熱量を相殺するようにホットガスバルブ
２０の開度を減少させる第３処理を行う。これにより、ホットガスバルブ２０の開度は減少し、コントローラー５０は、再び、第１処理を行う。以上の動作により、循環水の温度が上昇し、循環水の温度を指令温度で安定させることができる。
【０１１９】
１．４．  温度制御方法
図５は、第１実施形態に係る温度制御装置１００を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０１２０】
まず、コントローラー５０は、温度センサー８の測定結果に基づいて、ヒーター１０を動作させるとともに、ホットガスバルブ２０およびクールガスバルブ３０の出力を保持する第１処理を行う（ステップＳ１０）。そして、コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が上下限値（第１出力値）に達していない場合（ステップＳ１２でＮＯの場合）、ステップＳ１０に戻り、第１処理を継続する。
【０１２１】
コントローラー５０は、ヒーター１０の出力が上下限値に達した場合（ステップＳ１２でＹＥＳの場合）、ホットガスバルブ２０の開度を変化させるとともに、ヒーター１０をホットガスバルブ２０の開度の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる（ステップＳ１４）。そして、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の開度が上下限値（第２出力値）に達していない場合（ステップＳ１６でＮＯの場合）、ステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０、ステップＳ１２、ステップＳ１４、ステップＳ１６の処理を行う。
【０１２２】
コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０が上下限値（ステップＳ１６でＹＥＳの場合）、クールガスバルブ３０の開度を変化させるとともに、ホットガスバルブ２０をクールガスバルブ３０の開度の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる（ステップＳ１８）。そして、コントローラー５０は、ステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０〜ステップＳ１８の処理を繰り返すことにより、循環水の温度を指令温度で安定させる。
【０１２３】
温度制御装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１２４】
温度制御装置１００では、コントローラー５０は、温度センサー８の測定結果に基づいてヒーター１０を動作させるとともに、ホットガスバルブ２０の出力を保持する第１処理と、ヒーター１０の出力が第１出力値に達した場合に、ホットガスバルブ２０の出力を変化させるとともに、ヒーター１０をホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる第２処理と、を行う。これにより、循環水の温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、水温の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば温度制御分解能が低いホットガスバルブ２０が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、温度制御装置１００では、温度安定性を向上させることができる。
【０１２５】
また、温度制御装置１００では、コントローラー５０は、ホットガスバルブ２０の開度が第２出力値に達した場合に、クールガスバルブ３０の出力を変化させるとともに、ホットガスバルブ２０をクールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる第３処理を行う。これにより、循環水の温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、水温の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば温度制御分解能が低いクールガスバルブ３０が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、温度制御装置１００では、温度安定性を向上させることができる。
【０１２６】
また、温度制御装置１００では、第２処理では、ヒーター１０を、ホットガスバルブ２
０の出力の変化による熱量変化を相殺するように動作させる。そのため、水温の過渡的な応答をより抑制することができ、温度制御分解能が低いホットガスバルブ２０が動作した場合の温度精度の悪化をより抑制することができる。
【０１２７】
同様に、温度制御装置１００では、第３処理では、ホットガスバルブ２０を、クールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を相殺するように動作させる。そのため、水温の過渡的な応答を抑制することができ、温度制御分解能が低いクールガスバルブ３０が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。
【０１２８】
以下、上述した効果についてより詳細に説明する。
【０１２９】
例えば、仮に、上述した熱量を相殺する処理を行わずに、ヒーター出力が飽和したときにホットガスバルブの開度が変化し、ホットガスバルブの開度が上下限に達したときにクールガスバルブの開度を変化させる、連動的な動作を行う場合（以下「参考例」ともいう）を考える。なお、参考例では、コントローラーが上記の処理を行う以外は、装置の構成は、温度制御装置１００と同様であるものとする。
【０１３０】
ここで、循環水の温度が安定した状態から、指令温度が比較的大きな幅で高い値に変更された場合を考える。このとき、ヒーターの熱量が温度偏差のために、１００％に飽和する。この飽和状態をホットガスバルブの動作条件とし、ホットガスバルブは一定時間につき一定量だけ徐々に開いていく。そして、ホットガスの開度が上限に達した場合、これを動作条件としてクールガスバルブが一定時間に一定量につき一定量だけ徐々に閉まっていく。
【０１３１】
循環水温の変化への影響は、ヒーターよりもホットガスバルブの開度の方が、また、ホットガスバルブの開度よりもクールガスバルブの開度のほうが大きいため、クールガスバルブが閉じることによって循環水温は急激に上昇する。これにより、循環水温度が指令値を超えたとき、温度偏差がそれまでとは反対側に大きく発生しヒーターは１００％飽和状態から０％飽和状態まで変化する。ヒーターが０％になった時初めて、ホットガスバルブが反対方向に動作し、上限の開度から閉まり始めると同時に、クールガスバルブの閉方向への動作は停止する。しかし、依然として水温の偏差が解消されない場合、ホットガスバルブは閉まり続け下限に達する。すると、再びクールガスバルブが開き始め、水温は急激に低下する。この動作が繰り返されると、比較的周期の長い水温のハンチングが発生し、水温が整定しないことがある。
【０１３２】
次に、循環水温が安定した状態から、温度制御装置や冷却対象の周囲の気温が、夕方から夜にかけてなど徐々に下がっていく場合を想定し、水温安定度に対する問題について述べる。ヒーターの出力、ホットガスバルブの開度、クールガスバルブの開度は、冷却対象の発生熱量や、周囲の気温等が安定していれば、それぞれ安定した状態にある。この状態から徐々に周囲の気温が下がっていくと、循環水の流路の周囲の温度が低くなるために、循環水はより冷却され、温度制御装置が循環水に与えるべき熱量は徐々に増えていく。そのため、まずヒーターの出力が上昇し、必要な熱量の増加を補償する。
【０１３３】
しかし、ヒーターの出力が上限に達すると、それ以上、循環水温度を高めることができなくなる。そこで、ホットガスバルブが開く方向に動作する。さらにどんどん気温が下がっていく場合には、ホットガスバルブは開度の上限に達し、これによりクールガスバルブが閉まる方向に動作する。しかし、高精度の温度制御においては、ヒーターの温度制御分解能が十分に小さく設定されていたとしても、ホットガスバルブについては開度の最小可変量で動作させても、それによる熱量の変化は比較的大きい。そのため、ホットガスバルブ動作時に循環水温度に過渡的な温度変動を与え、これが温度精度を悪化させる場合があ
る。クールガスバルブが最少可変量だけ動作した際には、ホットガスバルブが最少可変量だけ動作した場合よりも大きな熱量変化が生じるため、循環水温度精度に対する影響はより大きなものとなる。
【０１３４】
ここで、本実施形態に係る温度制御装置１００について考える。温度制御装置１００において、ヒーター１０、ホットガスバルブ２０、クールガスバルブ３０の順番で、すなわち、温度制御分解能が高い順番でそれぞれ上位から下位の熱源と呼ぶことにすると、下位の熱源が動作する条件は、上位の熱源が動作可能な上下限値に飽和していることである。上述した熱量を相殺する処理を行うことで、設定された一定時間ごとに、上位の熱源の飽和状態を、すなわち、下位の熱源がさらに動作する条件を一旦解消することができる。
【０１３５】
一旦動作条件を解消しても、その後の温度偏差が大きければ再び下位の熱源の動作条件は満たされる。そして、次の一定時間後、再び下位の熱源の動作条件は解消され、これが繰り返される（例えば図４参照）。この繰り返しが進むとそのうちに、温度偏差が小さくなるため、下位の熱源の動作は停止する。この働きによって、温度制御装置１００では、上述した参考例の問題であったハンチング動作を防止することができる。
【０１３６】
例えば、上述した参考例では、クールガスバルブあるいはホットガスバルブの動作に応じて水温の偏差の符号が変化して初めてホットガスバルブの動作条件が解消される。これは温度の応答としてはオーバーシュートする特性となる。このオーバーシュート量がヒーターの出力１００％分を超えている場合、ヒーター出力は０％に飽和し、その後、ホットガスバルブは最大開度の状態から開放されて、クールガスバルブの動作条件が解消される。
【０１３７】
しかし、ここまでの時間、クールガスバルブは一定時間ごとに一定量閉まり続ける動作を継続しているため、循環水温は上がり続ける。クールガスバルブが開く方向に動作して初めて水温が下がり始める。水温が下がるときの動作は、上記と逆の状態となり、結果的に長周期のハンチングが発生する。このハンチング現象を、上述した熱量を相殺する処理を行わずに防止するためには、例えば、ホットガスバルブの、動作の周期時間をより長く、また、一回の動作あたりの開度の変化量を小さくしなければならず、水温変化の整定に長時間を要する、つまり応答が遅くなる。
【０１３８】
一方、温度制御装置１００では、上述した循環水温が安定した状態から周囲の気温が低下した場合等に、下位の熱源動作による過渡的な水温変動の発生に対しても、熱量の相殺動作は有効であり、温度精度の悪化を抑制することができる。
【０１３９】
第１実施形態に係る温度制御方法は、循環水の温度の測定結果に基づいて、ヒーター１０を動作させるとともに、ホットガスバルブ２０の開度を保持する工程（ステップＳ１０）と、ヒーター１０の出力が第１出力値に達した場合に、ホットガスバルブ２０の出力を変化させるとともに、ヒーター１０をホットガスバルブ２０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる工程（ステップＳ１４）と、を含む。また、第１実施形態に係る温度制御方法は、ホットガスバルブ２０の出力が第２出力値に達した場合に、クールガスバルブ３０の出力を変化させるとともに、ホットガスバルブ２０をクールガスバルブ３０の出力の変化による熱量変化を相殺する方向に動作させる工程（ステップＳ１８）を含む。
【０１４０】
そのため、上述したように、循環水の温度に対するハンチングを防止することができ、かつ、より早い応答の温度制御ができる。さらに、水温の過渡的な応答を抑制することができるため、例えば温度制御分解能が低いホットガスバルブ２０やクールガスバルブ３０が動作した場合の温度精度の悪化を抑制することができる。したがって、第１実施形態に
係る温度制御方法では、温度安定性を向上させることができる。
【０１４１】
なお、上述した実施形態では、温度制御装置１００が水の温度を制御する例について説明したが、温度制御装置１００は、水以外の液体、気体等の流体の温度を制御してもよい。
【０１４２】
２．  第２実施形態
２．１．  温度制御装置の構成
次に、第２実施形態に係る温度制御装置の構成について図面を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係る温度制御装置２００の構成を模式的に示す図である。なお、図６において、流路２０２に示す矢印は、流路２０２に流れる流体の流れの方向を示している。
【０１４３】
温度制御装置２００は、流路２０２を流れる流体の温度を制御する。対象となる流体は、特に限定されず、水等の液体や、冷媒として用いられる冷媒ガス等の気体であってもよい。
【０１４４】
温度制御装置２００は、図６に示すように、流路２０２と、熱交換器２０４と、温度センサー２０８と、第１ヒーター（第１熱源装置）２１０と、第１コントローラー（第１熱源装置制御部）２１２と、第２ヒーター（第２熱源装置）２２０と、第２コントローラー（第２熱源装置制御部）２２２と、を含む。
【０１４５】
流路２０２は、流体を流通させるための流路である。流路２０２は、例えば、対象物（図示せず）に流体を流通させて、当該対象物の温度を調整する。流路２０２は、当該対象物と熱交換器２０４との間で流体を循環させる循環流路であってもよい。なお、流路２０２には、流体を送るためのポンプ（図示せず）が設けられていてもよい。
【０１４６】
熱交換器２０４は、第１ヒーター２１０と流体との間の熱交換、および第２ヒーター２２０と流体との間の熱交換により、流体を加熱する。熱交換器２０４内には、第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０が内蔵されており、第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０と流路２０２を通る循環水との間で熱交換が行われる。
【０１４７】
なお、図示はしないが、流路２０２には、第１ヒーター２１０が内蔵された熱交換器と、第２ヒーター２２０が内蔵された熱交換器と、が設けられてもよい。すなわち、第１ヒーター２１０と第２ヒーター２２０とが別々の熱交換器に内蔵されていてもよい。
【０１４８】
温度センサー２０８は、流路２０２に設けられている。温度センサー２０８は、熱交換器２０４の後段（流体の流れの下流側）に設けられている。温度センサー２０８は、熱交換器２０４で温度調整された流体の温度を測定する。温度センサー２０８は、例えば、金属の電気抵抗値が温度変化によって変動することを利用したセンサーである。温度センサー２０８は、測定した流体の温度の情報を第１コントローラー２１２に送る。
【０１４９】
第１ヒーター２１０は、熱交換器２０４内に内蔵されている。熱交換器２０４内において、第１ヒーター２１０と流路２０２を通る流体との間で熱交換が行われ、流体が加熱される。第１ヒーター２１０の発熱量は、第１コントローラー２１２によって制御される。
【０１５０】
第２ヒーター２２０は、熱交換器２０４内に内蔵されている。図示の例では、第２ヒーター２２０は、熱交換器２０４内において、第１ヒーター２１０の前段（流体の流れの上流側）に設けられている。熱交換器２０４内において、第２ヒーター２２０と流路２０２を通る流体との間で熱交換が行われ、流体が加熱される。第２ヒーター２２０の発熱量は
、第２コントローラー２２２によって制御される。
【０１５１】
第２ヒーター２２０の出力能力は、第１ヒーター２１０の出力能力よりも高い。すなわち、第２ヒーター２２０は、第１ヒーター２１０よりも高出力のヒーターである。なお、第１ヒーター２１０の出力能力と第２ヒーター２２０の出力能力が等しくてもよい。
【０１５２】
第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０は、例えば、電流を供給することによってジュール熱を発生する発熱体である。第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０は、例えば、ニクロム線等で構成されている。
【０１５３】
第１コントローラー２１２は、温度センサー２０８の測定結果に基づいて、第１ヒーター２１０を制御する。第１コントローラー２１２は、例えば、デジタル制御器であり、温度センサー２０８からの流体の温度の情報を、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によって取り込み、第１ヒーター２１０に供給される電流値あるいは電圧値を決定し、Ｄ／Ａコンバーター（図示せず）を介して、第１ヒーター２１０に電流あるいは電圧を供給する。
【０１５４】
流体の温度上昇量は、第１ヒーター２１０の電流値や電圧値ではなく、電力、つまり電流値あるいは電圧値の二乗に比例する。そのため、第１コントローラー２１２は、第１ヒーター２１０への供給電力を、測定された流体の温度と指令温度との偏差に応じて制御する。指令温度の情報は、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されており、第１コントローラー２１２は、記憶装置に記憶された指令温度の情報を読み出して、測定された流体の温度と指令温度との偏差を求める。
【０１５５】
第１コントローラー２１２では、例えば、ＰＩＤ補償器が用いられている。なお、補償器として、その他の方式の補償器を用いてもよい。第１コントローラー２１２は、第１ヒーター２１０を、比例制御（Ｐ制御）および微分制御（Ｄ制御）を組み合わせて制御する（ＰＤ制御）。
【０１５６】
第２コントローラー２２２は、第１ヒーター２１０の出力の情報に基づいて、第１ヒーター２１０の出力が所与の値（目標出力値）となるように第２ヒーター２２０を制御する。第１ヒーター２１０の目標出力値は、例えば、第１ヒーター２１０の出力範囲の中央値、言い換えると第１ヒーター２１０の発生熱量の中央値（最大発生熱量の半分）である。すなわち、第２コントローラー２２２は、第１ヒーター２１０の出力が５０％となるように第２ヒーター２２０を制御する。
【０１５７】
なお、第１ヒーター２１０の目標出力値は、５０％に限定されずに、任意の値をとることができる。すなわち、第１ヒーター２１０の目標出力値は、４０％であってもよいし、６０％であってもよい。第１ヒーター２１０の目標出力値の情報は、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されており、第２コントローラー２２２は、記憶装置に記憶された目標出力値の情報を読み出して第２ヒーター２２０を制御する。
【０１５８】
第２コントローラー２２２は、例えば、デジタル制御器であり、第１コントローラー２１２からの第１ヒーター２１０の出力指令（第１ヒーター２１０を制御するための制御信号）を取り込み、第２ヒーター２２０に供給される電流値あるいは電圧値を決定し、Ｄ／Ａコンバーター（図示せず）を介して、第２ヒーター２２０に電流あるいは電圧を供給する。第２コントローラー２２２は、第２ヒーター２２０への供給電力を、第１ヒーター２１０の出力と第１ヒーター２１０の５０％出力との偏差に応じて制御する。
【０１５９】
第２コントローラー２２２では、例えば、ＰＩＤ補償器が用いられている。なお、補償器として、その他の方式の補償器を用いてもよい。第２コントローラー２２２は、第２ヒ
ーター２２０を、積分制御（Ｉ制御）で制御する。
【０１６０】
なお、上記では、第１コントローラー２１２は、積分制御を行わずに比例・微分制御を行い、第２コントローラー２２２は比例制御および微分制御を行わずに積分制御を行う場合について説明したが、第１コントローラー２１２において比例制御および微分制御に積分制御をわずかに加えてもよいし、第２コントローラー２２２において積分制御に比例制御および微分制御を加えてもよい。例えば、第１コントローラー２１２での比例制御および微分制御における比例ゲインによるヒーターの発生熱量および微分ゲインによるヒーターの発生熱量は、第２コントローラー２２２での比例制御および微分制御における比例ゲインによるヒーターの発生熱量および微分ゲインによるヒーターの発生熱量よりも大きい。また、第２コントローラー２２２での積分制御における積分ゲインによるヒーターの発生熱量は、第１コントローラー２１２での積分制御における積分ゲインによるヒーターの発生熱量よりも大きい。
【０１６１】
第１コントローラー２１２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能と、第２コントローラー２２２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能とは、例えば、等しい。したがって、第１ヒーター２１０は、第２ヒーター２２０よりも温度制御分解能が高い。流体の温度制御の分解能は、ヒーター出力の大きさ（出力能力の大きさ）と、コントローラーに内容されたヒーター供給電力に対するＤ／Ａコンバーターの分解能（ビット数）に依存する。温度制御装置１００では、上述したように第１ヒーター２１０は第２ヒーター２２０よりも出力能力が低く、かつ、第１コントローラー２１２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能と第２コントローラー２２２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能とが等しいため、上述のように、第１ヒーター２１０は、第２ヒーター２２０よりも温度制御分解能が高い。
【０１６２】
なお、第１コントローラー２１２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能を、第２コントローラー２２２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能よりも高くしてもよい。これにより、第１ヒーター２１０の温度制御分解能を、より高くすることができる。
【０１６３】
また、第１コントローラー２１２の処理と第２コントローラー２２２の処理とが１つのコントローラーで並列に処理できるように構成して、第１コントローラー２１２と第２コントローラー２２２とを一体化してもよい。
【０１６４】
２．２．  温度制御方法
次に、温度制御装置２００を用いた温度制御方法について説明する。図７は、第２実施形態に係る温度制御装置２００を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０１６５】
まず、第１コントローラー２１２は、温度センサー２０８の測定結果に基づいて、第１ヒーター２１０を制御する（ステップＳ２０）。
【０１６６】
流体の温度を所望の温度（指令温度）に制御するために、第１コントローラー２１２は、温度センサー２０８から出力された流体の温度の情報を取り込み、当該流体の温度の情報をもとに、指令温度との偏差を無くすように第１ヒーター２１０を制御する。
【０１６７】
第２コントローラー２２２は、第１ヒーター２１０の出力の情報に基づいて、第１ヒーター２１０の出力が所与の値となるように、第２ヒーター２２０を制御する（ステップＳ２２）。
【０１６８】
第２コントローラー２２２は、例えば、第１ヒーター２１０の出力が５０％となるよう
に、第２ヒーター２２０を制御する。具体的には、第２コントローラー２２２は、第１コントローラー２１２から出力された第１ヒーター２１０を制御するための制御信号を取り込み、第１ヒーター２１０の出力（現在の出力）と第１ヒーター２１０の５０％出力との偏差が零になるように第２ヒーター２２０を制御する。
【０１６９】
温度制御装置２００では、上述したステップＳ２０およびステップＳ２２の処理が繰り返されることにより、流体の温度を指令温度に保つことができる。
【０１７０】
図８は、第１ヒーター２１０による温度制御波形および第２ヒーター２２０による温度制御波形の一例を示す図である。
【０１７１】
ここで、第１ヒーター２１０は温度制御分解能が高いが、その一方で温度制御範囲が小さい。しかしながら、上記のように、第２ヒーター２２０は第１ヒーター２１０の出力が中央値（５０％）となるように制御されるため、第１ヒーター２１０は流体が温度変動をする際にプラスマイナスの両方向（温度を上昇させる方向と温度を低下させる方向の両方）に対して、制御可能な温度範囲を広く保つことができる。
【０１７２】
また、第１コントローラー２１２は、第１ヒーター２１０を、比例制御および微分制御を組み合わせて制御する（ＰＤ制御）。そのため、図８に示すように、比較的に速い温度変動を高分解能で制御する。なお、第１コントローラー２１２は、積分制御は行わない。これに対して、第２コントローラー２２２は、第１ヒーター２１０の出力を比較的ゆっくりと５０％にすればよいので、第２ヒーター２２０を積分制御（Ｉ制御）で制御する。なお、第２コントローラー２２２では、比例制御、微分制御は必ずしも必要がない。
【０１７３】
指令温度と流体との間に温度偏差が存在する場合、第１コントローラー２１２において比例制御が行われていれば、第１ヒーター２１０の出力は必ず５０％から偏る。したがって、第２コントローラー２２２の積分制御によって第１ヒーター２１０の出力が５０％に制御されたとき、温度の偏差も零となる。
【０１７４】
温度制御装置２００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１７５】
温度制御装置２００では、第１コントローラー２１２は温度センサー２０８の測定結果に基づいて、第１ヒーター２１０を制御し、第２コントローラー２２２は第１ヒーター２１０の出力が所与の値（目標出力値）となるように第２ヒーター２２０を制御する。これにより、例えば指令温度や流体の温度が変わっても、第１ヒーター２１０の出力値を所与の値に保つことができる（例えば一定に保つことができる）ため、第１ヒーター２１０の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができる。以下、その理由について説明する。
【０１７６】
第１ヒーター２１０は、電流を供給することによってジュール熱を発生するニクロム線等で構成されている発熱体である。このような発熱体の電気抵抗値には温度依存性が存在する。一般的な金属の場合、温度が高くなるほど電気抵抗Ｒは大きくなるため、発熱体に供給される電流Ｉを一定に保つ場合、ジュール熱ＩＲ２は大きくなる。また、発熱体に供給される電圧Ｖを一定に保つ場合には、ジュール熱Ｖ２／Ｒは小さくなる。ここで、流体の温度を高くする場合、発熱体の平衡温度は高くなる。したがって、上記の電気抵抗の温度依存性によって、温度制御系の最適な制御ゲインの設定値が変化してしまうという問題が生じる。
【０１７７】
これに対して、温度制御装置２００では、上述のように、第１ヒーター２１０の出力値が所与の値に保たれるため、第１ヒーター２１０の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制す
ることができる。したがって、温度制御装置２００では、上記のような問題が生じず、温度安定性を向上させることができる。
【０１７８】
温度制御装置２００では、第１ヒーター２１０は、第２ヒーター２２０よりも温度制御分解能が高く、かつ、第２ヒーター２２０よりも温度制御範囲が狭い。そのため、温度制御装置２００では、上述したように、第２コントローラー２２２は第１ヒーター２１０の出力が所与の値となるように第２ヒーター２２０を制御するため、第１ヒーター２１０の高い温度制御分解能で、第１ヒーター２１０の温度制御範囲と第２ヒーター２２０の温度制御範囲との和となる広い温度制御範囲で、流体の温度制御を行うことができる。
【０１７９】
温度制御装置２００では、第１ヒーター２１０の目標出力値は、第１ヒーター２１０の出力範囲の中央値である。そのため、第１ヒーター２１０は流体が温度変動をする際にプラスマイナスの両方向（温度を上昇させる方向と温度を低下させる方向の両方）に対して、制御可能な温度範囲を広く保つことができる。
【０１８０】
温度制御装置２００では、第１コントローラー２１２は、第１ヒーター２１０を、比例制御および微分制御を組み合わせて制御し、第２コントローラー２２２は、第２ヒーター２２０を積分制御する。そのため、温度制御装置２００では、第２コントローラー２２２の積分制御によって第１ヒーター２１０の出力が目標出力値に制御されたとき、指令温度と流体の温度の偏差も零とすることができる。
【０１８１】
第２実施形態に係る温度制御方法は、温度センサー２０８の測定結果に基づいて、第１ヒーター２１０を制御する工程と、第１ヒーター２１０の出力の情報に基づいて、第１ヒーター２１０の出力が所与の値となるように第２ヒーター２２０を制御する工程と、を含む。そのため、上述したように、例えば指令温度が変わっても、第１ヒーター２１０の出力値を所与の値に保つことができる（一定に保つことができる）ため、第１ヒーター２１０の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができる。したがって、第２実施形態に係る温度制御方法では、温度安定性を向上させることができる。
【０１８２】
３．変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１８３】
上述した第１実施形態に係る温度制御装置１００では、コントローラー５０が循環水を加熱する熱源装置（ヒーター１０）と、循環水を冷却する熱源装置（ホットガスバルブ２０，クールガスバルブ３０）と、を制御して循環水の温度を制御する例について説明したが、コントローラー５０は循環水を冷却する複数の熱源装置のみを制御して循環水の温度を制御してもよい。また、コントローラー５０は、循環水を加熱する複数の熱源装置のみを制御して循環水の温度を制御してもよい。このような場合にも、上述した温度制御装置１００と同様の作用効果を奏することができる。したがって、温度制御装置１００は、循環水の温度を室温以上の所望の温度に制御する場合にも適用可能であり、循環水の温度を室温より低い所望の温度に制御する場合にも適用可能である。
【０１８４】
また、上述した第２実施形態に係る温度制御装置２００では、第１コントローラー２１２が循環水を加熱する熱源装置（第１ヒーター２１０）を制御し、第２コントローラー２２２が循環水を加熱する熱源装置（第２ヒーター２２０）を制御することで流体の温度を制御していたが、第１コントローラー２１２が制御する熱源装置および第２コントローラー２２２が制御する熱源装置は、流体を加熱する熱源装置であってもよいし、流体を冷却する熱源装置であってもよい。このような場合にも、上述した温度制御装置２００と同様の作用効果を奏することができる。したがって、温度制御装置２００は、例えば、循環水
の温度を室温以下の所望の温度に制御する場合にも適用できる。
【０１８５】
また、例えば、上述した第１実施形態に係る温度制御装置１００では、荷電粒子線装置に適用した例について説明したが、温度制御装置１００は、その他の荷電粒子線装置にも適用することができる。このような荷電粒子線装置としては、例えば、荷電粒子ビーム描画装置などが挙げられる。また、上述した第２実施形態に係る温度制御装置２００は、温度制御装置１００と同様に、電子顕微鏡や、荷電粒子ビーム描画装置等に適用することができる。
【０１８６】
また、例えば、上述した第１実施形態に係る温度制御装置１００の第２熱交換器６ｂに、第２実施形態に係る温度制御装置２００を適用してもよい。すなわち、温度制御装置１００の第２熱交換器６ｂに内蔵されたヒーターとして、温度制御装置２００の第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０を用い、当該第１ヒーター２１０および第２ヒーター２２０を上述した第２実施形態に係る温度制御方法を用いて制御してもよい。これにより、より温度安定性に優れた温度制御装置を実現することができる。
【０１８７】
４．  第３実施形態
４．１．  温度制御装置の構成
次に、第３実施形態に係る温度制御装置の構成について図面を参照しながら説明する。図９は、第３実施形態に係る温度制御装置３００の構成を模式的に示す図である。なお、図９において、流路２０２に示す矢印は、流路２０２に流れる流体の流れの方向を示している。
【０１８８】
以下、第３実施形態に係る温度制御装置３００において、上述した第２実施形態に係る温度制御装置２００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８９】
上述した温度制御装置２００では、図６に示すように、第１ヒーター２１０を第１コントローラー２１２で制御し、第２ヒーター２２０を第２コントローラー２２２で制御していた（第１制御）。
【０１９０】
これに対して、温度制御装置３００では、図９に示すように、第１ヒーター２１０を第１コントローラー２１２で制御し、第２ヒーター２２０を第２コントローラー２２２で制御する第１制御と、第１ヒーター２１０を第３コントローラー３１２で制御し、第２ヒーター２２０を第４コントローラー３２２で制御する第２制御と、を切り替えることができる。
【０１９１】
温度制御装置３００は、図９に示すように、流路２０２と、熱交換器２０４と、温度センサー２０８と、第１ヒーター（第１熱源装置）２１０と、第１コントローラー（第１熱源装置制御部）２１２と、第２ヒーター（第２熱源装置）２２０と、第２コントローラー（第２熱源装置制御部）２２２と、第３コントローラー（第３熱源装置制御部）３１２と、第４コントローラー（第４熱源装置制御部）３２２と、切り替え部３３０と、を含む。
【０１９２】
第３コントローラー３１２は、第１ヒーター２１０の出力が目標出力値（第２の値）となるように第１ヒーター２１０を制御する。第１ヒーター２１０の目標出力値は、例えば、第１ヒーター２１０の発生熱量の中央値（最大発生熱量の半分）である。すなわち、第３コントローラー３１２は、第１ヒーター２１０の出力が５０％出力となるように第１ヒーター２１０を制御する。
【０１９３】
なお、第１ヒーター２１０の目標出力値は５０％に限定されずに、任意の値を取ること
ができる。第１ヒーター２１０の目標出力値の情報は、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されており、第３コントローラー３１２は記憶装置に記憶された目標出力値の情報を読み出して第１ヒーター２１０を制御する。
【０１９４】
第４コントローラー３２２は、温度センサー２０８の測定結果に基づいて、第２ヒーター２２０を制御する。第４コントローラー３２２は、例えば、デジタル制御器であり、温度センサー２０８からの流体の温度の情報を、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によって取り込み、第２ヒーター２２０に供給される電流値あるいは電圧値を決定し、Ｄ／Ａコンバーター（図示せず）を介して、第２ヒーター２２０に電流あるいは電圧を供給する。
【０１９５】
流体の温度上昇量は、第２ヒーター２２０の電流値や電圧値ではなく、電力、つまり電流値あるいは電圧値の二乗に比例する。第４コントローラー３２２は、第２ヒーター２２０への供給電力を、測定された流体の温度と指令温度との偏差に応じて制御する。指令温度の情報は、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されており、第４コントローラー３２２は、記憶装置に記憶された指令温度の情報を読み出して、測定された流体の温度と指令温度との偏差を求める。
【０１９６】
第４コントローラー３２２では、例えば、ＰＩＤ補償器が用いられている。なお、補償器として、その他の方式の補償器を用いてもよい。第４コントローラー３２２は、例えば、流体の温度と指令温度との偏差に基づき第２ヒーター２１０をＰＩＤ制御する。
【０１９７】
第１〜第４コントローラー３２２に搭載されたＤ／Ａコンバーターの分解能は、例えば、互いに等しい。また、第１〜第４コントローラー２１２，２２２，３１２，３２２の処理を１つのコントローラーで並列処理できるように構成して、第１〜第４コントローラー２１２，２２２，３１２，３２２を一体化してもよい。
【０１９８】
切り替え部３３０は、温度センサー２０８で測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する。そして、偏差が所定値よりも大きいと判定された場合には、切り替え部３３０は第１制御から第２制御に切り替える。一方、偏差が所定値以下と判定された場合には、切り替え部３３０は第２制御から第１制御に切り替える。
【０１９９】
ここで、第１制御および第２制御について説明する。まず、第１制御について説明する。第１制御では、第１ヒーター２１０を第１コントローラー２１２で制御し、第２ヒーター２２０を第２コントローラー２２２で制御する。第１制御は、上述した図７に示す制御（第２実施形態で説明した制御）と同様である。
【０２００】
図１０は、温度制御装置３００の第１制御の状態を説明するための図である。
【０２０１】
第１制御では、図１０に示すように、第１コントローラー２１２は、温度センサー２０８から流体の温度ＰＶの情報を取り込み、流体の温度ＰＶの情報をもとに、流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差を無くすようにＰＩＤ補償器２１２ａを用いて第１ヒーター２１０を制御している。また、第２コントローラー２２２は、第１コントローラー２１２から出力された制御信号を取り込み、第１ヒーター２１０の出力と第１ヒーター２１０の５０％出力（指令温度ＳＶ）との偏差が零になるようにＰＩＤ補償器２２２ａを用いて第２ヒーター２２０を制御している。
【０２０２】
第１制御では、上述した第２実施形態で説明したように、指令温度や流体の温度が変わっても、第１ヒーター２１０の出力値を所与の値に保つことができるため、第１ヒーター２１０の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができ、温度安定性を向上させることができる。
【０２０３】
次に、第２制御について説明する。図１１は、温度制御装置３００の第２制御の状態を説明するための図である。
【０２０４】
第２制御では、図１１に示すように、第３コントローラー３１２は、第１ヒーター２１０の出力が目標出力値（５０％出力、指令温度ＳＶ）となるように制御している。すなわち、第２制御において、第１ヒーター２１０の出力は、流体の温度によらず一定（５０％出力）である。また、第４コントローラー３２２は、流体の温度ＰＶの情報を取り込み、当該流体の温度ＰＶの情報をもとに、流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差を無くすようにＰＩＤ補償器３２２ａを用いて第２ヒーター２２０を制御している。
【０２０５】
第１制御では、第１ヒーター２１０を流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差に基づき制御するため、第２ヒーター２２０を流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差に基づき制御する第２制御と比べて、高い温度制御分解能を実現できる。これに対して、第２制御では、第２ヒーター２２０を流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差に基づき制御するため、第１ヒーター２１０を流体の温度ＰＶと指令温度ＳＶとの偏差に基づき制御する第１制御と比べて、高速応答が可能である。
【０２０６】
なお、制御の切り替えの基準となる閾値（所定値）としては、例えば、第１ヒーター２１０の出力が５０％から１００％に切り替わる制御が行われるときの流体の温度と指令温度との偏差の値を用いることができる。すなわち、切り替え部３３０は、流体の温度と指令温度との偏差が、第１ヒーター２１０の出力が５０％から１００％に切り替わる制御が行われるときの偏差よりも大きくなった場合に、第１制御から第２制御に切り替える。なお、閾値（所定値）はこれに限定されず、必要とされる温度制御の応答性に応じて適宜設定することができる。
【０２０７】
切り替え部３３０は、図９に示すように、第１ヒーター２１０に対する制御を切り替えるためのスイッチ３３２と、第２ヒーター２２０に対する制御を切り替えるためのスイッチ３３４と、を有している。
【０２０８】
第１制御から第２制御に切り替える場合、スイッチ３３２は、第１ヒーター２１０に対する制御を、第１コントローラー２１２による制御から第３コントローラー３１２による制御に切り替える。また、第２制御から第１制御に切り替える場合、スイッチ３３２は、第１ヒーター２１０に対する制御を、第３コントローラー３１２による制御から第１コントローラー２１２により制御に切り替える。
【０２０９】
第１制御から第２制御に切り替える場合、スイッチ３３４は、第２ヒーター２２０に対する制御を、第２コントローラー２２２による制御から第４コントローラー３２２による制御に切り替える。また、第２制御から第１制御に切り替える場合、スイッチ３３４は、第２ヒーター２２０に対する制御を、第４コントローラー３２２による制御から第２コントローラー２２２による制御に切り替える。
【０２１０】
スイッチ３３４は、切り替え前後で第２ヒーター２２０の操作量が連続するように切り替えを行う。
【０２１１】
図１２は、スイッチ３３４の動作を説明するための図である。
【０２１２】
スイッチ３３４は、１次のローパスフィルター（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ、ＬＰＦ）３３４ａと、２つの掛け算器３３４ｂ，３３４ｃと、を含んで構成されている。ローパスフィルター３３４ａは、１／（ＴＳＷｓ＋１）で表される。なお、ＴＳＷは時定数
であり、ｓはラプラス演算子である。ローパスフィルター３３４ａには、切り替えを行う際には切替信号「１」が入力される。掛け算器３３４ｂでは、切り替え前のコントローラーの出力（操作量ＭＶ１）とローパスフィルター３３４ａの出力との掛け算が行われる。掛け算器３３４ｃでは、切り替え後のコントローラーの出力（操作量ＭＶ２）と、「１」からローパスフィルター３３４ａの出力を引いた値と、の掛け算が行われる。そして、掛け算器３３４ｂと掛け算器３３４ｃとの和が操作量ＭＶ´として第２ヒーター２２０に出力される。
【０２１３】
以下、第１制御から第２制御に切り替わる際のスイッチ３３４の動作について図９および図１２を参照しながら説明する。
【０２１４】
スイッチ３３４では、ローパスフィルター３３４ａに切替信号「１」が入力されると、第４コントローラー３２２の出力（操作量ＭＶ１）には、掛け算器３３４ｂによって「０」から徐々に「１」になるような係数が乗じられる。一方、第２コントローラー２２２の出力（操作量ＭＶ２）には、掛け算器３３４ｃによって「１」から徐々に「０」になるような係数が乗じられる。これらの値は加算されて操作量ＭＶ´として第２ヒーター２２０に出力される。
【０２１５】
このようにスイッチ３３４は、第４コントローラー３２２による第２ヒーター２２０に対する操作量ＭＶ１の割合を第２コントローラー２２２による第２ヒーター２２０に対する操作量ＭＶ２の割合に対して連続的に増加させる。すなわち、スイッチ３３４は、第２制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第１制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させる。これにより、第１制御から第２制御に切り替える際に、切り替え前後の第２ヒーター２２０の操作量を連続にすることができる。
【０２１６】
なお、第２制御から第１制御に切り替わる際のスイッチ３３４の動作は、操作量ＭＶ１が第２コントローラー２２２の出力となり、操作量ＭＶ２が第４コントローラー３２２の出力となる点を除いて同様である。すなわち、第２制御から第１制御に切り替わる場合、スイッチ３３４は、第２コントローラー２２２による第２ヒーター２２０に対する操作量ＭＶ１の割合を第４コントローラー３２２による第２ヒーター２２０に対する操作量ＭＶ２の割合に対して連続的に増加させる。すなわち、スイッチ３３４は、第１制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第２制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させる。これにより、第２制御から第１制御に切り替える際に、切り替え前後の第２ヒーター２２０の操作量を連続にすることができる。
【０２１７】
スイッチ３３４は、例えば、ソフトスイッチ（コンピューターシステム上で動作するソフトウエアで実現されるスイッチ）により実現できる。なお、上記では、スイッチ３３４は、１次のローパスフィルターを利用したが、例えば一定の速度で「０」から「１」に変化するような関数や、「０」と「１」との間でＳ字カーブを描く関数等を用いてもよい。
【０２１８】
スイッチ３３２は、第１制御から第２制御に切り替える際に、例えば、第１ヒーター２１０に対する制御を、第１コントローラー２１２による制御から第３コントローラー３１２による制御に直ちに（瞬間的に）切り替える。また、同様に、スイッチ３３２は、第２制御から第１制御に切り替える際には、第１ヒーター２１０に対する制御を、第３コントローラー３１２による制御から第１コントローラー２１２により制御に直ちに切り替える。これは、第２ヒーター２２０と異なり、第１ヒーター２１０は第１制御および第２制御のいずれにおいても５０％出力に制御されているため、切り替え時に操作量の急激な変化が起こり難いためである。なお、スイッチ３３２を、上述したスイッチ３３４と同様の構成としてもよい。すなわち、スイッチ３３２が、切り替え前後で第１ヒーター２１０の操
作量が連続するように切り替えを行ってもよい。
【０２１９】
４．２．  温度制御方法
次に、温度制御装置３００を用いた温度制御方法について説明する。図１３は、第３実施形態に係る温度制御装置３００を用いた温度制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０２２０】
まず、第１制御を行う（ステップＳ３０）。切り替え部３３０は、第１コントローラー２１２の出力を第１ヒーター２１０に出力し、第２コントローラー２２２の出力を第２ヒーター２２０に出力する。これにより、温度センサー２０８の測定結果（流体の温度と指令温度との偏差）に基づいて第１ヒーター２１０が制御され、第１ヒーター２１０の出力の情報に基づいて第１ヒーター２１０の出力が目標出力値（５０％出力）となるように第２ヒーター２２０が制御される。
【０２２１】
次に、切り替え部３３０は、温度センサー２０８で測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３２）。
【０２２２】
流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合（ステップＳ３２で「ＮＯ」の場合）、ステップＳ３０に戻って引き続き第１制御が行われる。
【０２２３】
一方、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３２で「ＹＥＳ」の場合）、切り替え部３３０は、第１制御から第２制御に切り替える（ステップＳ３４）。このとき、切り替え部３３０のスイッチ３３４によって、第２制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第１制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、切り替え前後で第２ヒーター２２０の操作量を連続させることができる。
【０２２４】
そして、第２制御を行う（ステップＳ３６）。切り替え部３３０は、第３コントローラー３１２の出力を第１ヒーター２１０に出力し、第４コントローラー３２２の出力を第２ヒーター２２０に出力する。
【０２２５】
次に、切り替え部３３０は、温度センサー２０８で測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３８）。
【０２２６】
流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３８で「ＹＥＳ」の場合）、ステップＳ３６に戻って引き続き第２制御が行われる。
【０２２７】
一方、流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合（ステップＳ３８で「ＮＯ」の場合）、切り替え部３３０は、第２制御から第１制御に切り替える（ステップＳ３９）。このとき、切り替え部３３０のスイッチ３３４によって、第１制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第２制御による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、切り替え前後で第２ヒーター２２０の操作量を連続させることができる。そして、ステップＳ３０に戻って、第１制御を行う。
【０２２８】
温度制御装置３００では、上述したステップＳ３０からステップＳ３９の処理が繰り返されることにより、流体の温度を指令温度に保つことができる。
【０２２９】
温度制御装置３００は、例えば、以下の特長を有する。
【０２３０】
温度制御装置３００では、切り替え部３３０は、温度センサー２０８で測定された流体
の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定し、当該偏差が所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から前記第２制御に切り替える。すなわち、温度制御装置３００では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合には、第１ヒーター２１０を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）から、第２ヒーター２２０を主に流体の温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）に切り替えることができる。
【０２３１】
例えば第１制御のみで温度の制御を行う場合、第２ヒーターの制御目標は流体の温度そのものではなく第１ヒーターの目標出力値（５０％出力）である。本来、指令温度からの偏差が大きい場合、制御系の操作量もそれに応じて大きいことが望ましい。しかし、第２ヒーターの制御目標が第１ヒーターの５０％出力であるため、例えば、温度偏差が比較的小さくて流体の温度を上昇させるための熱量が第１ヒーターの５０％出力分と等しくなったときには第２ヒーターの出力を変化させるための偏差は、最大値である第１ヒーターの５０％（１００％−５０％）となる。ところが、流体の温度と指令温度との偏差がこれよりもきわめて大きくなった場合でも、第２ヒーターの操作量を制御するための偏差はその最大値である第１ヒーターの５０％に相当する量を超えることができない。したがって、流体の温度と指令温度との偏差が大きくなった場合にも、第２ヒーターの応答は速くならない。そのため、流体の温度と指令温度との偏差が大きくなった場合の温度制御の応答が緩慢になる。
【０２３２】
これに対して、温度制御装置３００では、上述したように、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定し、当該偏差が所定値よりも大きいと判定された場合に、第１制御から前記第２制御に切り替えるため、上記の第１制御のみの場合と比べて、第２ヒーター２２０の応答を速めることができる。このように、温度制御装置３００では、流体の温度と指令温度との偏差の大きさに応じて、第１ヒーター２１０を主に温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）と、第２ヒーター２２０を主に温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）と、を切り替えることができる。したがって、温度制御装置３００では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【０２３３】
また、温度制御装置３００では、上述した温度制御装置２００と同様に、第１ヒーター２１０の出力値が所与の値に保たれるため、第１ヒーター２１０の電気抵抗の温度依存性の影響を抑制することができ、温度安定性を向上させることができる。
【０２３４】
温度制御装置３００では、切り替え部３３０は、第４コントローラー３２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第２コントローラー２２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、第１制御から第２制御に切り替える。これにより、第１制御から第２制御に切り替える際に、第２ヒーター２２０の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【０２３５】
第１制御から第２制御に切り替える際には、第２ヒーター２２０の制御対象が第１ヒーター２１０の目標出力値（５０％出力）から流体の温度に切り替わる。そのため、上記処理を行わない場合、第１制御から第２制御に切り替える際には、第２ヒーターの操作量が不連続になり、これによって過渡的な温度応答が発生してしまう。これに対して、温度制御装置３００では、切り替え部３３０は、第４コントローラー３２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第２コントローラー２２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、第１制御から第２制御に切り替えるため、第２ヒーター２２０の操作量を連続的に変化させることができる。そのため、温度制御装置３００では、上記のような問題が生じず、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【０２３６】
温度制御装置３００では、切り替え部３３０は、流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合に、第２制御から第１制御に切り替える。すなわち、温度制御装置３００では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値以下と判定された場合には、第２ヒーター２２０を主に流体の温度制御を行う高速応答が可能な状態（第２制御）から、第１ヒーター２１０を主に流体の温度制御を行う温度制御分解能の高い状態（第１制御）に切り替えることができる。したがって、温度制御装置３００では、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【０２３７】
また、温度制御装置３００では、切り替え部３３０は、第２コントローラー２２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合を第４コントローラー３２２による第２ヒーター２２０に対する操作量の割合に対して連続的に増加させて、第２制御から第１制御に切り替える。そのため、第２制御から第１制御に切り替える際にも、上述した第１制御から第２制御に切り替える際と同様に、第２ヒーター２２０の操作量の急激な変化を抑制することができ、温度の過渡的な応答を抑制することができる。
【０２３８】
温度制御装置３００では、第２コントローラー２２２が第１ヒーター２１０の出力が第１の値となるように第２ヒーター２２０を制御し、第３コントローラー３１２は第１ヒーター２１０の出力が第２の値となるように第１ヒーター２１０を制御し、第１の値と第２の値とは第１ヒーター２１０の出力範囲の中央値（５０％出力）である。そのため、第１ヒーター２１０はプラスマイナスの両方向（温度を上昇させる方向と温度を低下させる方向の両方）に対して、制御可能な温度範囲を広く保つことができる。また、第１の値と第２の値とが等しいため、第１制御から第２制御への切り替え、および第２制御から第１制御への切り替えの際に、第１ヒーター２１０の操作量に急激な変化を生じさせないことができる。
【０２３９】
第３実施形態に係る温度制御方法では、温度センサー２０８で測定された流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する工程（ステップＳ３２）と、当該偏差が所定値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３２で「ＹＥＳ」の場合）に、第１制御から第２制御に切り替える工程（ステップＳ３４）と、を含む。そのため、上述したように、高精度制御と高速応答制御とを両立させることができる。
【０２４０】
なお、上記では、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいと判定された場合に制御の切り替えが行われているが、例えば、流体の温度と指令温度との偏差が所定値よりも大きいという条件を満たした状態が一定時間（例えば３０秒）継続した場合に、制御の切り替えを行うようにしてもよい。これにより、過渡的な温度変動によって制御の切り替えが繰り返されるハンチング現象を防ぐことができる。
【０２４１】
５．  第４実施形態
次に、第４実施形態に係る温度制御装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１４は、第４実施形態に係る温度制御装置４００を含む荷電粒子線装置１０００の構成を模式的に示す図である。なお、図１４において、流路２ａ，２ｂ，４２，４８に示す矢印は、各流路２ａ，２ｂ，４２，４８に流れる流体の流れの方向を示している。
【０２４２】
以下、第４実施形態に係る温度制御装置４００において、上述した第１実施形態に係る温度制御装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２４３】
温度制御装置３００では、コントローラー５０は、ＰＩＤ補償器５２と、非線形補償器５４と、を含んで構成されている。また、温度制御装置３００は、ヒーター１０に供給される電力を調整する交流電力調整器６０を含んで構成されている。交流電力調整器６０は
、位相制御方式の交流電力調整器（ＡＰＲ）である。
【０２４４】
ここで、位相制御方式の交流電力調整器について説明する。図１５は、位相制御方式の交流電力調整器の出力波形の一例を示す図である。
【０２４５】
位相制御方式の交流電力調整器（以下「ＡＰＲ」ともいう）は、図１５に示すように、交流電圧波形に対してゲートを掛け、正弦波の一周期のうち電流を流す区間を変化させることによって、電力を無段階に制御するものである。ここではＡＰＲの出力をこの電流が流れる区間の割合とする。このとき、ＡＰＲの出力が５０％のときには、正弦波波形の半分の区間電流が流れるので、実効電流値はＡＰＲの出力が１００％のときの半分となる。
【０２４６】
しかし、図１５に示すようにＡＰＲの出力が７５％や２５％の際には、ＡＰＲの出力と実効電流値とは比例しない。さらに、ヒーターが発生させる熱量は電流値の２乗に比例することになるため、ＡＰＲの出力とヒーターの発生熱量との関係は実効電流との関係よりもさらに非線形性が増す。制御対象は循環水の温度であるが、水温を高めるに必要な熱量は、温度偏差量と、単位時間当たりの循環水流量に比熱を乗じた値との積である。したがって、循環水の水温上昇量と、ヒーターへの供給電力とが比例するにもかかわらず、仮に温度偏差に比例するようにＡＰＲの出力（％）を制御した場合には、この非線形性の影響を大きく受けることになる。
【０２４７】
そのため、温度制御装置３００では、コントローラー５０が非線形補償器５４を有している。非線形補償器５４は、ＰＩＤ補償器５２で求められたヒーター１０に対する操作量と、ヒーター１０で発生する熱量と、の関係が線形となるようにＰＩＤ補償器５２で求められた操作量を変換して交流電力調整器６０に出力する。
【０２４８】
以下、非線形補償器５４の原理について説明する。
【０２４９】
電流をｓｉｎ波で表すと電力はその２乗に比例する。これを位相０からπの間の一定区間で積分すれば，実効電力に比例する値が得られる。これを式で表し変形すると、位相ｘは、次式（１）のように表される。
【０２５０】
【数１】
0006518470.tif 000002
【０２５１】
ＰＩＤ補償器５２で求められた操作量（すなわち非線形補償器５４を通る前の操作量）をＭＶ（％）とすると、式（１）の積分区間は０から（ＭＶ／１００）×πで表される。
【０２５２】
ヒーター１０の発生熱量をＱ（％）とした場合、操作量ＭＶ（％）に対するヒーター１０の発生熱量Ｑ（％）は次式（２）のように表される。
【０２５３】
【数２】
0006518470.tif 000003
【０２５４】
ここで、ＰＩＤ補償器５２で求められた操作量ＭＶ（％）を非線形補償器５４でＭＶ´
（％）に変換したとする。このとき、制御系として望ましいのは、ＰＩＤ補償器５２の出力（操作量ＭＶ（％））とヒーター１０の発生熱量Ｑとが等しくなることである。そのため、非線形補償器５４では次式（３）を満たせばよい。
【０２５５】
【数３】
0006518470.tif 000004
【０２５６】
図１６は、ＰＩＤ補償器５２で求められた操作量ＭＶ（％）とヒーターの発生熱量Ｑ（％）との関係を示すグラフである。なお、発生熱量Ｑは、図１６において実線で示している。
【０２５７】
操作量ＭＶが５０％前後では操作量ＭＶと発生熱量Ｑとは線形とみなせるが操作量ＭＶが０％または１００％に近づくほど非線形性が大きくなる。この０％または１００％に近い領域では、傾きが小さく操作量ＭＶを変化させてもヒーターの発生熱量Ｑはほとんど変化しない。したがって、循環水の温度を変化させることができない。
【０２５８】
仮に、操作量ＭＶ＝５０％付近で補償器の制御ゲインを調整した場合、操作量ＭＶが５０％から離れるほど制御ゲインが不足した状態になり、制御性が悪化する。比例ゲインのみで制御している場合には、応答が遅くなり温度偏差が大きくなる。また、積分ゲインを加えて制御した場合には、応答が遅れる時間の分だけ積分操作量が蓄積されていき、蓄積された操作量で一旦水温が指令値の方向に動き出すと、急に応答量が大きくなるため目標値をオーバーして偏差の符号が反対になる。すなわち、積分操作量による発振を起こしやすくなる。したがって、積分ゲインを高めることができず、偏差の補償に時間がかかり応答が遅くなる。
【０２５９】
そのため、操作量ＭＶと発生熱量Ｑとの関係を線形化し制御性を改善するためには、操作量ＭＶに発生熱量Ｑの逆関数を乗じればよい。これにより、操作量ＭＶと発生熱量Ｑとの関係を線形化することができる。なお、発生熱量Ｑの逆関数（操作量ＭＶ´）は、図１６において波線で示しており、線形化された発生熱量Ｑを一点鎖線で示している。
【０２６０】
ここで、発生熱量Ｑの逆関数を求めるためには、ｙ＝ｘ−ｓｉｎ（ｘ）の逆関数を求めなければならないが、ｙ＝ｘ−ｓｉｎ（ｘ）の逆関数は知られている関数では表記することができずに、ｙ＝ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋・・・）））））））））という無限循環の関数になる。
【０２６１】
そのため、例えば、操作量ＭＶを、操作量ＭＶ´に変換する係数を表す変換テーブルを用いることで、操作量ＭＶを操作量ＭＶ´に変換することができる。この変換テーブルは、操作量ＭＶに対して操作量ＭＶ´が離散的な値で用意されており、これらの離散値の間に操作量ＭＶがあるときには、線形補間によって線形化のための係数を求めることができる。なお、補間方法は特に限定されずニュートン補間法など他の補間方法を用いてもよい。この変換テーブルは、例えば、コントローラー５０の記憶装置に保存され読み出して使用する。
【０２６２】
次に、コントローラー５０の動作について説明する。
【０２６３】
コントローラー５０では、ＰＩＤ補償器５２は温度センサー８で測定された循環水の温度と指令温度との偏差をもとにＰＩＤ制御されるヒーター１０の操作量ＭＶを求める。Ｐ
ＩＤ補償器５２で求められた操作量ＭＶは、非線形補償器５４に送られる。非線形補償器５４は、操作量ＭＶと、ヒーター１０の発生熱量Ｑと、の関係が線形となるように操作量ＭＶを操作量ＭＶ´に変換する。そして、非線形補償器５４は、操作量ＭＶ´を交流電力調整器６０に送る。交流電力調整器６０は、操作量ＭＶ´に基づいて、ヒーター電源１２からヒーター１０に供給される電力を調整する。
【０２６４】
温度制御装置４００は、例えば、以下の特長を有する。
【０２６５】
温度制御装置４００では、ヒーター１０に供給される電力を調整する位相制御方式の交流電力調整器６０を含み、コントローラー５０では、非線形補償器５４が、循環水の温度と指令温度との偏差に基づき求められたヒーター１０に対する操作量ＭＶと、ヒーター１０で発生する熱量Ｑと、が線形となるように操作量ＭＶを変換して交流電力調整器６０に出力する。そのため、例えば、操作量ＭＶが０％または１００％に近い状態になっても、水温の制御性が損なわれることがなく、制御ゲインを適切に設定することができる。したがって、例えば非線形補償器５４がない場合と比べて、制御性を高めることができる。
【０２６６】
また、温度制御装置４００では、比較的安価であり、かつ、電力を連続的に制御可能な位相制御方式の交流電力調整器の電力の出力に生じる非線形性を補償できるため、安価に高い制御性の温度制御装置を実現することができる。
【０２６７】
なお、上記では、操作量ＭＶを操作量ＭＶ´に変換する補償テーブルと離散値間の補間により非線形補償を行う場合について説明したが、例えば、ｙ＝ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋ｓｉｎ（ｘ＋・・・）））））））））という無限循環の関数のうち、循環数を有限の数、例えば５回程度として近似計算を行う方法で、非線形補償を行ってもよい。
【０２６８】
また、上記では、温度制御装置４００のヒーター１０を制御するために、位相制御方式の交流電力調整器６０と、非線形補償器５４と、を用いる例について説明したが、図６に示す温度制御装置２００のヒーター２１０，２２０に位相制御方式の交流電力調整器と、非線形補償器と、を適用してもよい。また、図９に示す温度制御装置３００のヒーター２１０，２２０に、位相制御方式の交流電力調整器と、非線形補償器と、を適用してもよい。
【０２６９】
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【０２７０】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０２７１】
２ａ…送水流路、２ｂ…戻水流路、４…ポンプ、６ａ…第１熱交換器、６ｂ…第２熱交換器、８…温度センサー、１０…ヒーター、１２…ヒーター電源、２０…ホットガスバルブ、３０…クールガスバルブ、４０…冷媒循環器、４２…冷媒流路、４４…コンプレッサー、４６…凝縮器、４８…冷却水供給流路、５０…コントローラー、５２…ＰＩＤ補償器、５４…非線形補償器、６０…交流電力調整器、１００，２００…温度制御装置、２０２…流路、２０４…熱交換器、２０８…温度センサー、２１０…第１ヒーター、２１２…第１
コントローラー、２１２ａ…ＰＩＤ補償器、２２０…第２ヒーター、２２２…第２コントローラー、２２２ａ…ＰＩＤ補償器、３００…温度制御装置、３１２…第３コントローラー、３２２…第４コントローラー、３２２ａ…ＰＩＤ補償器、３３０…切り替え部、３３２…スイッチ、３３４…スイッチ、３３４ａ…ローパスフィルター、３３４ｂ…掛け算器、３３４ｃ…掛け算器、１０００…荷電粒子線装置、１００２…流路、１０１０…冷却対象
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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