(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体（１２０）の温度（Ｔ１）を変化させるシステム（１００）であって、
第１の温度（Ｔ１）で前記流体（１２０）を受け入れる流入口（１１２）と、
第２の温度（Ｔ２）で前記流体（１２０）を送り出す流出口（１１４）と、
前記流入口（１１２）から前記流出口（１１４）へ前記流体（１２０）を送る導管（１１０）であって、前記流体の温度を前記第１の温度（Ｔ１）から前記第２の温度（Ｔ２）へ変更する手段（１３０）を備える前記導管（１１０）と、
前記流体（１２０）と前記導管（１１０）との間の熱伝達の推定値に基づき、前記導管（１１０）の選択された位置における前記流体温度を推定する温度推定プログラムを備えるプロセッサ（１４０）と、
前記推定された流体温度に応じて、前記温度変更手段（１３０）に制御信号（１４６）を供給するコントローラ（１５０）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記プログラムが前記温度変更手段（１３０）と前記流体（１２０）との間の熱伝達を推定する熱伝達モデルを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プログラムが入力変数として前記制御信号の最新値を使用して前記温度変更手段（１３０）と前記流体（１２０）との間の前記熱伝達を推定するようになっている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記温度変更手段（１３０）が前記導管（１１０）の内部に位置し、
前記プログラムが、前記流体（１２０）と前記導管（１１０）の外部にある媒体（１６０）との間の導管壁を通る熱伝達の推定を含めることにより、前記流体温度を推定するようになっている、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
前記温度調節手段（１３０）が温度調節要素（１３０）を取り囲む多層構造体（１３２，１３４）を備え、
前記プログラムが、
前記温度調節要素（１３０）と前記多層構造体の中間層（１３２）との間の前記推定された熱伝達と、
前記多層構造体の近接している層（１３２，１３４）の間の前記推定された熱伝達と、
前記多層構造体の最も外側の層（１３４）と前記流体（１２０）との間の前記推定された熱伝達と、
を組み合わせることにより前記流体（１２０）と前記温度調節手段（１３０）との間の前記熱伝達を推定するようになっている、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記プログラムが、入力変数として、少なくとも１つの時間依存流体関連パラメータを使用するようになっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記導管（１１０）が前記流体（１２０）を混ぜる混合手段を備え、
前記プログラムが、前記温度調節手段（１３０）と、前記流体（１２０）および前記混合手段の組合せとの間の熱伝達を計算するようになっている、請求項２〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記温度調節手段（１３０）が交流商用電源電流（６００）の零交差（６０２）の間にオンまたはオフに切り替えられるようになっており、
前記プロセッサ（１４０）が、前記導管（１１０）内の選択された位置における前記流体温度の推定値を提供し、２回の連続した零交差（６０２）の間に前記推定値を前記コントローラ（１５０）に供給するようになっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記プログラムが前記導管（１１０）の複数の位置におけるそれぞれの流体温度を推定するようになっている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラ（１５０）が前記プロセッサ（１４０）によって推定された１つ以上の温度から前記温度調節手段（１３０）の負荷を計算するようになっている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体（１２０）が水であり、前記温度調節手段が加熱要素（１３０）を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記熱伝達モデルが熱損失を含むようになっている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記温度推定プログラムに温度データを供給するようにされ、前記流体の温度を測定する少なくとも１つの温度センサを備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
流体（１２０）の温度（Ｔ１）を変化させるシステム（１００）を制御する方法であって、前記システム（１００）が、
第１の温度（Ｔ１）で前記流体（１２０）を受け入れる流入口（１１２）と、
第２の温度（Ｔ２）で前記流体（１２０）を送り出す流出口（１１４）と、
前記流入口（１１２）から前記流出口（１１４）へ前記流体（１２０）を送る導管（１１０）であって、前記流体の温度を前記第１の温度（Ｔ１）から前記第２の温度（Ｔ２）へ変更する手段（１３０）を備える導管（１１０）とを備え、
前記流体（１２０）と前記導管（１１０）との間の熱伝達を推定することにより、前記導管（１１０）の選択された位置における前記流体温度を推定するステップと、
前記推定された流体温度に応じて、前記温度変更手段（１３０）に制御信号（１４６）を供給するステップと
を備える方法。
【請求項１５】
前記流体温度を推定するステップが、熱伝達モデルを使用して前記温度変更手段（１３０）と前記流体（１２０）との間の熱伝達を推定する工程を備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記流体温度を推定するステップが、入力変数として前記制御信号の最新値を使用して前記温度を推定する工程を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記温度変更手段（１３０）が前記導管（１１０）の内部に位置し、
前記流体（１２０）と前記導管（１１０）の外部にある媒体（１６０）との間の導管壁を通る熱伝達を含めることにより、前記流体温度を推定するステップをさらに備える、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記温度調節手段（１３０）が温度調節要素（１３０）を取り囲む多層構造体（１３２，１３４）を備え、
前記温度調節手段（１３０）と前記流体（１２０）との間の前記熱伝達を、前記温度調節要素（１３０）と前記多層構造体の中間層（１３２）との間の熱伝達を推定し、前記多層構造体の近接している層（１３２，１３４）の間の熱伝達を推定し、前記多層構造体の最も外側の層（１３４）と前記流体（１２０）との間の熱伝達を推定し、前記推定値を組み合わせて推定するステップを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記温度を推定するための入力変数として、少なくとも１つの時間依存流体関連パラメータを使用するステップをさらに備える、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記導管（１１０）が前記流体（１２０）を混ぜる混合手段を備え、
前記温度調節手段（１３０）と、前記流体（１２０）および前記混合手段の組合せとの間の熱伝達を計算するステップをさらに備える、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
交流商用電源電流（６００）の零交差（６０２）の間に前記温度調節手段（１３０）を切り替えるステップと、
前記導管（１１０）の選択された位置における前記流体温度を推定するステップと、２回の連続した零交差（６０２）の間の時間間隔中に前記推定値を前記コントローラ（１５０）に供給するステップとが組み合わされたステップと、
をさらに備える、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記導管（１１０）の複数の位置におけるそれぞれの流体温度を推定するステップをさらに備える、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記１つ以上の推定された温度から前記温度調節手段（１３０）の負荷を計算するステップをさらに備える、請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記システムの内部の前記流体の温度を測定するステップと、
前記測定された温度に基づいて前記熱伝達モデルを調節するステップと
をさらに備える、請求項１５〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
請求項１に記載の前記システム（１００）と共に用いられる請求項１４に記載の方法を実施するプログラムを備えるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記プログラムが、前記流体（１２０）と前記導管（１１０）との間の熱伝達の推定値に基き、前記導管（１１０）の選択された位置における前記流体温度を推定するアルゴリズムを備える、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２６】
前記アルゴリズムが前記温度変更手段（１３０）と前記流体（１２０）との間の熱伝達を推定するようになっている、請求項２５に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２７】
前記アルゴリズムが、入力変数として前記制御信号の最新値を使用して前記温度を推定するようになっている、請求項２５または２６に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２８】
前記アルゴリズムが、前記流体（１２０）と前記導管（１１０）の外部にある媒体（１６０）との間の導管壁を通る熱伝達を含めることにより、前記流体温度を推定するようになっている、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項２９】
前記温度調節手段（１３０）が温度調節要素（１３０）を取り囲む多層構造体（１３２；１３４）を備え、
前記プログラムが、
前記温度調節要素（１３０）と前記多層構造体の中間層（１３２）との間の前記推定された熱伝達と、
前記多層構造体の近接している層（１３２，１３４）の間の前記推定された熱伝達と、
前記多層構造体の外側層（１３４）と前記流体（１２０）との間の前記推定された熱伝達と、
を組み合わせることにより前記流体（１２０）と前記温度調節手段（１３０）との間の前記熱伝達を推定するようになっている、請求項２８に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項３０】
前記アルゴリズムが、前記温度調節手段（１３０）と、前記流体（１２０）および前記導管（１１０）内の混合コイルの組合せとの間の熱伝達を計算するようになっている、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項３１】
前記プログラムが、前記導管（１１０）の複数の位置におけるそれぞれの流体温度を推定するようになっている、請求項２５〜３０のいずれか一項に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の温度で流体を受け入れる入力と、第２の温度で流体を送り出す出力と、流体の温度を第１の温度から第２の温度へ変更する手段を備え、入力から出力へ流体を送る導管とを備え、流体の温度を変化させるシステムに関する。
【０００２】
本発明は、さらに、このようなシステムを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
オンデマンド型冷水器および温水器のような流体の温度を変化させるシステムは、典型的に、確実に流体の所望の出力温度に達するために、システムからのある種のフィードバックに依存する。このため、このようなシステムは、典型的に、システム内の流体の温度を測定する１つ以上の温度センサを備え、センサデータを用いて加熱要素または冷却要素のようなシステムの温度調節手段を制御する。オンデマンド型温水器の実施形態は、米国特許第６，５３９，１７３号明細書およびその引用文献に記載されている。
【０００４】
このようなセンサの使用に伴う既知の問題は、流体温度の変化に対するセンサの応答性が比較的遅いことである。遅い応答性は、典型的に、センサの熱質量によるものであり、センサが流体と直接的に接触していない場合により顕著であることがある。このような熱的遅れは、典型的に、特に流体温度が急速な変化に晒されたときに、センサによって測定された温度と実際の流体の温度とに不一致を引き起こす。その結果として、流体の所望の出力温度と実際の出力温度との間に不一致が起こることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記問題を解決する１つの方法は、センサデータに熱的遅れ分を補償することである。しかし、このような補償は、システムを通る流体流速のような複数のシステム可変パラメータに応じて決まるので些細なことではなく、そのため、熱センサの遅れを正確に補償することは難しい。
【０００６】
国際公開第９３／０４４２１号には、流動食が流入口から、液体を加熱するためのＡＣ電力を受ける電極の傍を通過して、流出口へポンプで送られ、流出口温度が電源コントローラを動作させるマイクロプロセッサを使用して所定の範囲内で制御される、抵抗加熱プロセスが開示されている。プロセッサは、電極間の液体が流入口から流出口へ移動する一連の要素を構成するとみなし、各要素が流出口に到達したときに生じる流出口温度を予測する。電極に印加される電力レベルは、要素に対し予測されたいずれかの流出口温度が所定の範囲を超える場合に調節される。
【０００７】
この方法の欠点は、電極に印加される単位電力が流体の単位体積の温度を経験的に定められた温度増加させることを前提としている点である。この前提は不正確であることがわかっている。さらに、各要素の温度は要素の全体を通じて一定であるとみなされる。これにより、流入口と流出口との間の各点についての正確な温度推定がさらに妨げられる。
【０００８】
本発明は、熱的遅れの影響を著しく受けることなく、流体の温度を変化させるシステムを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、さらに、そのようなシステムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、流体の温度を変化させるシステムであって、第１の温度で流体を受け入れる入力と、第２の温度で流体を送り出す出力と、入力から出力へ流体を送る導管であって、流体の温度を第１の温度から第２の温度へ変更する手段を備える導管と、流体と導管との間の熱伝達の推定値に基づき、導管の選択された位置における流体温度を推定する温度推定プログラムを備えるプロセッサと、推定された流体温度に応じて、温度変更手段に制御信号を供給するコントローラとを備えるシステムが提供される。
【００１１】
本発明の仮想センサ、すなわち、本発明のシステムのプロセッサで動作するプログラムは、種々の複雑さのレベルを使用して実施され得る熱伝達モデルを使用して実施されてもよい。このプログラムは、より微細化され、かつ、より正確な温度推定値が取得することができるという利点がある。たとえば、このプログラムは、流体から伝達され、または、流体へ伝達されるエネルギー量の正確な推定値を得るために温度変更手段と流体との間の熱伝達を推定する熱伝達モデルを備えていてもよい。このような推定値は、制御信号の最新値が温度変更手段のエネルギー状態の正確な推定値を与えるために使用され得るので、入力変数として制御信号の最新値を使用して達成することができる。
【００１２】
したがって、本発明は、温度センサの使用が完全に回避されてもよい、したがってハードウェアセンサの上記欠点のいずれも回避した、流体の温度を変化させるシステムを提供する。
【００１３】
なお、一実施形態では、導管は、温度推定プログラムへの温度フィードバックを行う少なくとも１つの温度センサを備える。このフィードバックは、温度推定プログラムに用いられる熱伝達モデルを較正するために使用することができる。このフィードバックは、システムが熱伝達モデルによって正確に予測できない周囲条件の変化の影響を受ける状況において特に有利である。
【００１４】
温度変更手段が導管内部に位置している場合、プログラムは、流体温度推定の精度をさらに向上させるために流体と導管の外部にある媒体との間の導管壁を通る熱伝達の推定を含むことにより、流体温度を推定するようになっていてもよい。
【００１５】
多層構造体によって覆われた温度調節要素を備える温度調節手段の場合、流体と外部媒体との間の推定された熱伝達の精度は、温度調節要素と多層構造体の中間層との間の推定された熱伝達と、多層構造体の近接している層の間の推定された熱伝達と、多層構造体の最も外側の層と流体との間の推定された熱伝達とを組み合わせることによりさらに向上させることができる。
【００１６】
熱伝達推定の精度は、プログラムが、入力変数として、第１の温度と導管を通る流体の流速とからなる群より選択された少なくとも１個の流体関連パラメータを使用するようになっている場合、さらに改善することができる。このプログラムは、このような流体関連パラメータが一定期間に亘って無視できない変動を示す場合に特に有利である。
【００１７】
熱伝達推定プログラムは、さらに流体と導体との間の熱伝達に影響を与えるシステムのその他の態様を考慮するようになっていてもよい。たとえば、導管は、流体を混ぜるコイルを備えていてもよく、プログラムは、温度調節手段と、流体およびコイルの組合せとの間の熱伝達を計算するようになっている。このプログラムは、温度推定の精度をさらに向上させる。
【００１８】
好ましくは、温度調節手段は、たとえば、フリッカー効果の原因となり得る交流商用電源上に電圧変動を生じる危険性を低減させるために、交流商用電源電流の零交差中にオンまたはオフに切り替えられるようになっている。この場合、プロセッサは、好ましくは、導管内の選択された位置における流体温度の推定値を提供し、温度推定値が温度調節手段の各スイッチングサイクルの間に更新され得るように、２回の連続した零交差の間に上記推定値をコントローラに供給するようになっているので、微細化された温度制御の仕組みを生み出す。
【００１９】
プログラムは、導管の複数の位置におけるそれぞれの流体温度を推定するようになっていてもよい。このプログラムは、特に、導管を通る流体の温度変動が直線的でない場合、または、導管が多数のステージを備え、温度推定値が各ステージの位置、たとえば、ステージ入力および／または出力で供給される場合、システムの温度制御精度をさらに向上させる。
【００２０】
典型的に、コントローラは、プロセッサによって推定された１つ以上の温度から温度調節手段の要求量を計算するようになっている。
【００２１】
本発明のシステムのプロセッサ上で動作するプログラムは、流体と導管との間の熱伝達を推定することにより導管内の選択された位置における流体温度を推定するステップと、推定された流体温度に応じて制御信号を温度変更手段に供給するステップとを備える本発明の方法と、上述された種々のその他の有利な実施形態とを実施する。
【００２２】
本発明の方法を実施するプログラムは、インターネットを介してアクセス可能なサーバのハードディスクのようなリモートアクセス可能な記憶媒体を含め、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリスティックなどのようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に設けられていてもよい。
【００２３】
本発明を、添付図面を参照して、より詳細に、かつ、非限定的な形態として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のシステムの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本発明のシステムの導管のモデルを概略的に示す図である。
【図３】本発明のシステムの一実施形態の熱伝達モデルアプローチを概略的に示す図である。
【図４】多層材料の熱伝達モデルを概略的に示す図である。
【図５】本発明のシステムの実施形態の温度推定アプローチを概略的に示す図である。
【図６】本発明のシステムの一実施形態のプログラムの可能な実施のタイミングチャートを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面は概略的に示しているに過ぎず、また、正しい縮尺で描かれているものではないことが理解されるべきである。また、図面を通して、同じ部分または類似の部分を示すために同じ参照符号が使用されていることも理解されるべきである。
【００２６】
図１は、本発明によるシステム１００の概略図を示す。システム１００は、流入口１１２および流出口１１４を有する導管１１０を備え、温度Ｔ１で流入口１１２において導管１１０に流入する流体の温度を、流出口１１４で温度Ｔ２になるように調節する加熱要素または冷却要素のような温度調節要素１３０を備える。システム１００は、温度調節要素１３０を制御するコントローラ１５０を備える。コントローラは、典型的に、所要の出力温度Ｔ２ができる限り正確に達成されることを確保するために温度調節要素１３０の所要の必要量を調整する。
【００２７】
システム１００は、コントローラに制御信号１４６を供給するプロセッサ１４０をさらに備える。プロセッサ１４０は、専用マイクロコントローラまたは多目的中央処理ユニットなどのような公知の任意の適切な方法で実施されてもよい。コントローラ１５０は、プロセッサ１４０によって実施されてもよく、または、別個に実現されてもよい。プロセッサ１４０は、導管１１０内の所定の位置における流体の温度を推定するためのプログラムを使用して制御信号１４６を生成する。この流体の温度は流出口１１４における温度でもよく、この場合、推定された温度は流出口温度Ｔ２であり、または、導管１１０の内部の中間位置における温度でもよい。プロセッサ１４０は、１個以上の中間位置および流出口１１４のような導管１１０内の様々な位置におけるそれぞれの流体温度を推定してもよい。このため、プログラムは、導管１１０のモデル記述および温度調節手段１３０を使用し、流体１２０と、温度調節手段１３０を含む導管１１０の種々の部分との間の熱伝達を推定するアルゴリズムを備える。
【００２８】
プログラムは、典型的に、プロセッサ１４０の入力１４２および１４４で受信することができる１または複数の時間依存変数を用いて、温度調節手段１３０を含む導管１１０と流体１２０との間の熱伝達を推定する。たとえば、コントローラ１５０は、プロセッサ１４０から受信した制御信号１４６から温度調節手段１３０の負荷を計算し、温度調整手段１３０に計算された負荷を引き受けさせるさらなる制御信号を生成してもよい。さらなる制御信号は、入力１４２を介してプロセッサ１４０にフィードバックされてもよい。また、プロセッサ１４０は、プロセッサの入力１４４において、流体入力温度Ｔ１および導管１１０を通る流体流速のような時間依存流体関連パラメータ値を受信してもよい。温度Ｔ１は、温度センサ（図示せず）を使用して測定されてもよい。このセンサは、温度Ｔ１が典型的に小さい変動しか示さず、たとえば、温度Ｔ２より変化が遙かに緩慢であるので、本発明によって解決しようとする上記の問題の影響をそれほど受けない。実際に、Ｔ１の変動が十分に小さい場合、Ｔ１は温度推定プログラムのアルゴリズムにおいて定数として組み込まれてもよい。同様に、流体流速は、導管１１０を通る流速が（著しく）変化しない場合、定数として組み込まれてもよい。温度推定プログラムによって使用される変数は上記の実施形態に限定されることなく、その他の流体または導管関連パラメータが使用されてもよい。
【００２９】
以下、システム１００の温度推定プログラムによって使用される熱伝達モデルをより詳細に説明する。この説明では、システム１００は、システム１００の好ましい一実施形態であるオンデマンド型温水器（ＯＤＨ）として説明される。なお、流体１２０は水でなくてもよく、その他の流体が同様に実現可能であることが認識されるべきである。さらに、温度調節手段１３０は加熱要素でなくてもよく、冷却要素であってもよいことが認識されるべきである。また、温度調節手段１３０は、導管１１０の内部に位置している必要はなく、導管壁内にまたは導管壁の周囲に位置していてもよい。
【００３０】
ＯＤＨの温度推定プログラムの数学モデルは、材料間の熱流の物理モデルに基づいている。熱は、熱平衡が達成されるまで、高温の材料からより低温の材料へ常に流れる傾向がある。したがって、材料間のエネルギー伝達を計算することができる。この伝達関数により、経時的に材料の温度が判定される。換言すると、このモデルを用いて特定の時刻における特定の流速の水の出力温度Ｔ２を予測することができる。
【００３１】
システム１００の基本的な物理的構造は、２つのコイルヒータ要素１３０が中心にある放射状導管１１０を備える。コイルヒータ要素は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）セラミック層１３２に埋め込まれ、かつ、囲まれている。このセラミック層は、内鋼壁１３４に囲まれている。流体１２０、本実施形態では、水がこの内鋼壁１３４の周りを流れ、鋼または他の適切な材料の外壁によってシステム１００内に収容されている。この外壁は導管１１０を構成する。外壁は、外部環境１６０、たとえば、空気に晒される。放射状ヒータの物理的構造は、計算のために図２に示すように簡略化することができ、左端（エネルギー入力）にヒータ１３０があり、右端に外部環境１６０がある。図３は、放射状内鋼壁１３４が計算およびシミュレーションの目的のために、材料のフラットスラブによってどのようにモデル化され得るかを示している。このようなモデルは、システム１００のその他の部分、たとえば、導管１１０の壁のため使用されてもよい。
【００３２】
近接する材料間の熱伝達または熱流は、特定の時間ステップの間に、すなわち、所定の単位時間の間に、材料が獲得または失ったエネルギー量を求めることによってある期間について計算することができる。このエネルギー交換は、式１に示すように、物質の質量（ｍ［Ｋｇ］）に物質の比熱容量（ＳＨＣ［ＪＫｇ−１Ｋ−１］）を乗じたものに物質の温度変化（最終温度−初期温度［Ｋ］）を乗じたものに等しい。
【数１】
0005355106.tif 000002
【００３３】
材料の比熱容量は、物質の温度が変化するときに物質が熱を蓄積する能力の度合いである。材料は、エネルギーを放出することもあり、この放出されたエネルギーは損失係数（式２）によって定められ、材料の寸法および熱伝導率に基づいている。係数１／２は簡約化として導入され、一方の材料からその近接する材料の中間点からのエネルギー伝達の計算を可能にする。
【数２】
0005355106.tif 000003
【表１】
0005355106.tif 000004
【００３４】
図４に示す簡単な熱伝達モデルを検討する。
【００３５】
加熱要素１３０が十分に長い期間動作していないとき、材料１３２、１３４および１３６は、平衡「周囲」温度を示す。エネルギーが加熱要素１３０によって消費される場合、すなわち、加熱要素がオンに切り替えられている場合、エネルギー伝達が起こり、熱エネルギーが最も高温の材料から最も低温の材料へ流れる。各材料内の温度およびエネルギーは、式１を整理して式４として表される以下のアルゴリズムを使用して、多数の時間ステップに亘って計算することができる。
【数３】
0005355106.tif 000005
式中、ｍｃ［ＪＫ−１］＝熱容量＝ｍ［Ｋｇ］×ＳＨＣ［ＪＫｇ−１Ｋ−１］である。
【００３６】
この式は、図２に示す層状システムのための以下のアルゴリズムをもたらす。
【００３７】
１．周囲材料温度を求める。周囲材料温度は、センサを使用して、または、周囲温度の一定値を仮定することにより求めてもよい。
【００３８】
２．時間ステップΔｔにおける加熱要素１３０のエネルギーＥＨｅａｔｅｒを求める。
ＥＨｅａｔｅｒ＝時間ステップΔｔ中に加熱要素１３０によって消費された熱量子の個数
【００３９】
熱量子の個数は、コントローラ１５０によって明示的に与えられてもよい。代替的に、コントローラ１５０は、加熱要素１３０がオンもしくはオフに切り替えられているか、または、加えられた負荷の正確な量を示してもよく、この負荷は、たとえば、変換関数またはルックアップテーブルを使用することによりプロセッサ１４０によって多数個の熱量子に変えられてもよい。
【００４０】
３．式５を用いて加熱要素１３０の温度を計算する。式中、添字Ｍ１は材料１３２を示し、添字（ｔ−１）は前の時間ステップを示す。
【数４】
0005355106.tif 000006
【００４１】
４．式６を用いて材料１３０−材料１３２（Ｍ１）の間のエネルギー伝達を計算する。
【数５】
0005355106.tif 000007
【００４２】
５．式７を用いて材料１３２（Ｍ１）内の温度を計算する。
【数６】
0005355106.tif 000008
【００４３】
６．材料１３２と材料１３４（式８におけるＭ２）の間のエネルギー伝達を計算する。
【数７】
0005355106.tif 000009
【００４４】
７．材料１３４（式９におけるＭ２）内の温度を計算する。
【数８】
0005355106.tif 000010
【００４５】
８．材料１３４と材料１３６（式１０におけるＭ３）との間のエネルギー伝達を計算する。
【数９】
0005355106.tif 000011
【００４６】
９．材料１３６（式１１におけるＭ３）内の温度を計算する。
【数１０】
0005355106.tif 000012
【００４７】
以下同様に続く。その結果、加熱要素１３０のあらゆる物理的要素の温度をいつでも推定することができる。
【００４８】
上記のアルゴリズムは、エネルギーをある個数（たとえば、３個）の隣接または近接する材料に供給する加熱要素１３０に関する。このような加熱システムにおいて、加熱要素１３０に導入されるエネルギー量が増加し続ける限り、材料は加熱し続ける。３つの材料層の選択は限定的でない実施形態に過ぎない。モデルに含まれる材料層はこれより少なくてもよい。代替的に、このモデルは、当然ながら、水量１２０、導管１１０、外部環境１６０のような熱伝達システムの残りの部分を含むように拡張されてもよい。外部環境を含む熱伝達関数のパラメータは実験的に得ることもできる。典型的に、熱エネルギーは、水１２０および外部環境１６０によって加熱要素１３０から引き離されている。外部環境１６０への熱損失は、十分に小さい場合、たとえば、断熱導管１１０の場合に無視してもよいことが指摘される。
【００４９】
温度推定プログラムの数学モデルは、導管１１０を通る水の流れによって導入される温度勾配をさらに考慮してもよい。水の流れは、加熱要素１３０に「冷却」効果を引き起こす。このモデルは、式１２に示すように、水の流速、導管１１０の体積、および、時間ステップΔｔのサイズから「可変体積係数」を求める。
【数１１】
0005355106.tif 000013
式中、Ｔｉｃｋ＿ｓｉｚｅ（チックサイズ）は所定の時間間隔Δｔであり、以下の単位が式１２中の変数に使用される。
【表２】
0005355106.tif 000014
【００５０】
流速は、たとえば、（図１に図示しない）流速計を使用して測定してもよい。図５から明らかであるように、各時間間隔Δｔの間に、導管１１０内の水量の一部分１２０’’は、周囲温度の「新鮮な」、すなわち、加熱されていない水で置き換えられる。このようにして、導管１１０内の温度は、各間隔Δｔにおいて一部分１２０’’のサイズ（体積）に従って僅かに低下する。導管１１０内に既に存在している水の一部分１２０’の温度は、式１３を用いて推定される。
【数１２】
0005355106.tif 000015
一方、水の一部分１２０’’の温度は、式１４を用いて推定される。
【数１３】
0005355106.tif 000016
【００５１】
式１３および式１４を組み合わせて、式１５に示すように、特定の時間ステップΔｔにおける導管１１０の内部の平均水温の推定値を出してもよい。
【数１４】
0005355106.tif 000017
【００５２】
流入口１１２を介する加熱されていない水１２０の流入は、各時間ステップΔｔにおける導管１１０内の平均水温を低下させる効果がある。式１２〜１５は、水が複数の時間間隔Δｔの間に（すなわち、２つ以上の時間間隔Δｔの間に）導管１１０を通過するように導管１１０を通る水流があるとき、本モデルが導管１１０内の特定の位置における水温を表すことができることを実証する。
【００５３】
システムは、加熱要素１３０から水１２０へ効率的に伝達される熱が、流出口１１４で導管１１０から出る水の流れ、すなわち、水量による熱損失と、外部環境１６０への熱損失に等しいとき、平衡状態に達する。
【００５４】
水温推定アルゴリズムは、導管１１０の任意の付加的な特徴を考慮するためにさらに精緻化されてもよい。たとえば、導管１１０は、水が導管１１０の中を移動するときに水を混合する目的のため水路内にスプリングコイルを含んでいてもよい。実験結果の解析により、このコイルスプリングが水の熱容量を導管１１０内のスプリングが占める体積に関する係数によって効率的に変更することが実証された。
【００５５】
水温推定アルゴリズムは、導管１１０の水路内のスプリングの体積のパーセント値を盛り込んでもよい。換言すると、水路の体積は、水およびこの鋼スプリングの両方によって占められている。典型的に、スプリングと水とを合わせたＳＨＣは水単独のＳＨＣとは異なる。このように、水路のＳＨＣは、水路内の鋼スプリングの異なる質量およびＳＨＣを考慮に入れるように調節することができる。
【００５６】
水とスプリングとを合わせたＳＨＣは、式１６に示すように計算することができる。
【数１５】
0005355106.tif 000018
【００５７】
損失係数も式１０に示すように水／スプリング媒体内のエネルギーを計算する際に調節される。
【数１６】
0005355106.tif 000019
【００５８】
導管１１０へのその他の変形が同様の方法でモデル化され得ることは認識される。
【００５９】
熱伝達モデルは、本発明のシステムに温度センサを組み込むことによってさらに精緻化されてもよい。温度センサの出力は、熱伝達モデルの較正データとして用いてもよい。較正データに用いることは、周囲システム温度のようなシステムに対するリアルタイムの変化が正確に予測することができない状況のように、熱伝達モデルが実システムを近似しているに過ぎない状況において特に有用である。このため、温度センサは、所定の時間間隔、たとえば、数秒毎にデータを取り、温度推定プログラムはこれらのデータを用いてこのプログラムの熱伝達モデル内の適切なパラメータを再較正する。このように、熱伝達モデルが長期間に亘って流体温度を正確に予測することを保証することができる。また、温度センサは、流体の温度を変更する手段が故障しているかどうかをチェックするために使用されることも可能であり、たとえば、流体を送り出す流出口に設置された温度センサが、温度が流体を受け入れる流入口における温度とほぼ等しいこと、または、流体の推定温度よりかなり低いことを示す場合、温度を変更する手段が正しく機能していないことを意味する。また、温度センサは、流体がシステム内で不足しているかどうかをチェックするために使用されることも可能であり、たとえば、温度が流体の推定温度よりかなり高い場合、温度を変更する手段にもはや十分な流体が供給されていないこと、たとえば、水槽が空であることを意味する。
【００６０】
このような混合型システムは、温度推定プログラムが急速な流体温度変化のより正確な監視を行い、比較的鈍い温度センサが温度推定プログラムの較正中にドリフトを低減または回避するために主として使用されているので、温度センサだけによって制御されるシステムより明確な利点があることが認識されるであろう。
【００６１】
流体温度調節システム１００は、典型的に、比較的大きい負荷がある。このような負荷は、商用交流（ＡＣ）電源に顕著な電圧変動を引き起こす可能性があり、この電圧変動はＡＣ商用電源に接続された光源の観測可能なフリッカーの原因となる可能性がある。商用電源上のフリッカーの量を抑制する既知の優れた設計法によると、このような負荷が商用電源ＡＣサイクルの零交差の間に限りオンに切り替えられるようにする。その結果、温度調節要素１３０は、５０Ｈｚ、または他の適切な周波数、たとえば６０ＨｚのＡＣ商用電源の場合に、１０ｍｓ毎に限りオンまたはオフに切り替え可能である。
【００６２】
図６は、零交差６０２を有する商用電源ＡＣサイクル６００に対するシステム１００のデューティサイクルの好ましい一実施形態を示している。プロセッサ１４０は、時間間隔６２０の間に導管１１０内の選択された位置における流体温度の温度推定を実行するようになっている。プロセッサ１４０は、典型的に、次の零交差６０２における流体温度を推定する。線６２５によって示されているような推定を完了すると、コントローラ１５０は、コントローラ１５０に推定温度の指示を与える制御信号１４６が供給される。その後、コントローラ１５０は、制御信号１４６に応じて、次の零交差６０２で温度調節要素１３０に加えられる負荷を計算する。この計算により、可変負荷の量を求めてもよく、または、バイナリスイッチのオン／オフを決定してもよい。
【００６３】
プロセッサ１４０は、次の零交差６０２の到達前にコントローラ１５０が負荷の計算を終了するために制御信号１４６がコントローラ１５０に間に合うように供給されることを保証する十分な計算能力を有していなければならない。この十分な計算能力は、たとえば、ハイエンドデジタル信号プロセッサ１４０を使用することにより実現されてもよい。
【００６４】
上記の実施形態が発明を限定するのではなく、発明を例示していること、および、当業者が特許請求の範囲から逸脱することなく多数の代替的な実施形態を設計できることに留意されたい。特許請求の範囲において、括弧内の参照符号は請求項を限定するものではない。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という語は、請求項に記載された要素またはステップ以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。要素の前に記載の「ａ」または「ａｎ」という語は複数個のこのような要素の存在を排除するものではない。ある特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという事実だけでは、これらの手段の組合せが有利になるように使用できないことを示しているものではない。
【符号の説明】
【００６５】
１００…システム、１１２…流入口、１１４…流出口、１２０…流体、１２０’，１２０’’…水量の一部分、１３０…温度調節要素、１３２…酸化マグネシウムセラミック層、１３４…内側鋼壁、１３６…材料、１４０…プロセッサ、１４２、１４４…入力、１４６…制御信号、１５０…コントローラ、１６０…外部環境、６００…ＡＣサイクル、６０２…零交差、６２０…時間間隔、６２５…推定完了時
【図１】
0005355106.tif 000020
【図３】
0005355106.tif 000021
【図６】
0005355106.tif 000022
【図２】
0005355106.tif 000023
【図４】
0005355106.tif 000024
【図５】
0005355106.tif 000025