JP6017410B2 - 高精度恒温システム - Google Patents

Description

本発明は、恒温システムに関し、特に恒温槽内の空間の温度を、高い精度で均一に保つ高精度恒温システムに関する。

恒温槽内の空間の温度を均一にする技術としては、恒温槽内にファンを導入し、恒温槽内の空間の空気を撹拌する技術が知られている。しかしながら、外気や恒温槽の壁面など様々なルートで熱伝達が発生していることにより、恒温槽内の温度の均一は十分なものではなかった。
そのため、恒温槽を扱う技術者は、恒温槽内の位置によって、温度的特性が違いがあることを理解した上で、その恒温槽を利用する必要があるといった問題があった。

特許文献１には、恒温槽内の空間にカオス的混合を生成させることにより温度が均一化することに注目して、電磁撹拌を使用する方法及び装置が記載されている。特許文献１に係る技術は、ランダム及び不規則バターンで撹拌バーを動かすことにより乱流およびカオス的混合力学を発生するように制御する、というものである。
しかしながら、外気や恒温槽の壁面などからの熱伝達による局部的熱伝達を直接防ぐものではないため、このような熱伝達が多いときは、温度の均一化には限界がある。
特表２００５−５３６３３０号公報

特許文献２において、恒温室を囲う空調室が記載されている。恒温室内においては、側面から速度Ｖaで恒温空気Ａを吹き出し、速度Ｖbで恒温空気Ｂを吹き出す吹き出しユニットを備える。ＶbとＶaとの関係は、大きさについてＶbがVａより大きく、方向について同一である。
特許文献２の技術では、吹き出しユニットと対面するターゲット空間についてのランダムでカオス的な空気混合は実現されるが、恒温室内の空気混合には、偏りが生じることになる。
特開特開２００７−８５６０７

本発明の課題は、外部からの熱伝達による温度の偏りを減少させることと、恒温槽内の空間におけるランダムでカオス的混合を発生させることにより、高いレベルで均一な温度分布を可能とする恒温システムを提供することである。

本発明の課題を解決するため、第一の観点によれば、
（ａ）空調がされた１次空間を有する１次恒温槽と、
（ｂ）前記１次空間の内部に配置され、前記１次空間との間に断熱層を設けられ２次空間を有する２次恒温槽と、
（ｃ）前記２次空間に配置された、互いに送風出力と送風方向が異なる複数のファンと、
（ｄ）前記２次恒温槽に設けられた、前記１次空間と前記２次空間の間の空気循環を起こさせる循環手段と、
を含み、前記２次空間内の温度分布を均一化するように温度制御することを特徴とする恒温システムが提供される。
ここで空調とは、生産、校正、管理、貯蔵といった物品を扱う上での産業目的で、空間の空気の温度や湿度、清浄度、気流などを調整することである。

２次空間内に設置する複数ファンの少なくとも１つは、時系列で、ランダムに、送風出力と送風方向から選ばれる少なくとも１つを変化させる送風制御手段を備え、カオティックな乱流が生じるように制御してもよい。

循環手段は、１次空間と２次空間の間に設けられた開口部又は循環用ファンであってもよい。

２次空間内に設置する複数ファンの少なくとも１つは、時系列で、ランダムに、送風出力と送風方向から選ばれる少なくとも１つを変化させる送風制御手段を備えてもよい。

１次空間と２次空間の間に設けられた開口部は、時系列で、ランダムに面積を変化させる開口制御手段を備えてもよい。

１次空間と前記２次空間の間の空気循環を起こさせる循環手段は、時系列で、ランダムに、１次空間と２次空間との間の空気循環量を変化させる循環量制御手段を備えてもよい。

２次空間の中に３次空間を有する３次恒温槽というように、低位次数の空間の中に高位次数の空間を有する高次数恒温槽を設け、１次空間を有する１次恒温槽からN次空間を有するN次恒温槽まで備える構成としてもよい。
この場合、低次数恒温槽と一次数高い恒温槽との関係を１次恒温槽と２次恒温槽との関係と同様にする。例えば、｛ｍ｜３以上N以下の自然数｝として、（ｍ−１）次空間を有する（ｍ−１）次恒温槽の中に、ｍ次空間を有するｍ次恒温槽が配置される。そして、それぞれの空間に互いに送風出力と送風方向が異なる複数のファンが配置される。さらに、ｍ次恒温槽には、（ｍ−１）次空間とｍ次空間との間に空気循環を起こさせる循環手段が設けられる、というような構成にしてもよいのである。

図１は、実施例１の恒温システムの構成を示すイメージ図である。 図２は、２次恒温槽１００２の透視図と断面図である。 図３は、開口部の変形例を示した図である。 図４は、実施例２で採用される２次恒温槽の断面図である。 図５は、実施例３の２次恒温槽と３次恒温槽を示した断面図である 図６は、（ｍ−１）次恒温槽からＮ次恒温槽までの入れ子構造を示したイメージ図である。

以下、本発明の具体例につき図面を用いた実施例において説明する。

図１は、本発明の実施例１の恒温システムの構成を示すイメージ図である。１次空間Ｋ１を有する１次恒温槽１００１、スリット状の開口部を有する断熱層で覆われた２次恒温槽１００２、１次空間を空調する空調機１００３、２次恒温槽に設けられた開口部１００４という構成である。 ここでは、奥に隠れた一面も含めて、側面の内３面に開口部を設けるものとする。１次空間と２次空間との間の熱伝達の大部分は、開口部１００４を通しての両空間内の気体が循環によって行われる。この循環によって、２つの空間の熱分布を均一する効果がある。

（２次恒温槽）図２は、２次恒温槽１００２の透視図（上）と断面図（下）である。上の透視図において示したを断面Ａで切った、矢印Ｂからの視線で観察した断面を示したものが下の断面図である。断熱層２００１が２次空間Ｋ２を覆い、天井面に第一ファン２００２、一方の側面に第二ファン２００３が設けられている。他方の側面のスリット状の開口部は、図１でも示した開口部１００４である。奥面に設けられたスリット状の開口部２００４は、図１では、隠れていた奥壁面の３つ目の開口部である。

断熱層２００１により、１次空間と２次空間との間の熱交換は、限定される。この限定により、１次空間に発生した温度の偏りが、直接に２次空間に伝わるのを和らげる熱的ダンピング効果がもたらされる。

第一ファン２００２と第二ファン２００３とは、カオス的風を生じさせる効果のため、風量も風方向も異なるように設定されいる。また、ファンの回転アクチュエータにおいて、時系列でランダムにカオス的回転をするように設けられている。これにより、時系列で固定した風量と風方向に設定しただけの複数ファンよりも、ランダムにカオス的な風を発生させる作用が高まる。そして、２次空間内部の空気循環は、時系列でランダムにカオス的なものになり、２次空間の空気を均一に混合する作用がある。これにより、２次空間の熱分布を均一する効果がある。
ここで示したファンの数及びそれぞれのファンの大きさや方向は、本発明の一例に過ぎず、適宜変更可能である。
さらに、いずれか或いは両方のファンに方向を変化させるする方向アクチュエータを設け、時系列でランダムにカオス的方向変更をするように設けられていれば、時系列でランダムにカオス的な風を発生させる作用がさらに高まる。

（空調機）
図１の戻って、空調機１００３は、ユーザによる温度設定に従って、１次空間Ｋ１の空気を加熱もしくは冷却する。温度設定は、特に図示しない空調機の制御部又はリモコンによる操作等による。

（開口部の変形例）
１次空間と２次空間との空気循環によって、２つの空間の熱分布を均一するのであるが、この空気循環は、開口面積によって変化させることができる。
図３は、開口部の変形例を示した図であり、開口面積を変化させる機能を備えたものである。上図は、１００４の正面図である。下図は上図のＣで示した視線で観察した側面図である。
スリット状の開口部１００４は、可動式シャッター３００１の上下動によって、開口面積が変化する。３００２は、シャッターを上下動させるアクチュエータである。
アクチュエータは、時系列でランダムにカオス的な上下動作をするように設けられている。
このような上下動作による開口面積の変化で、１次空間と２次空間との間の空気循環は、時系列でランダムにカオス的なものになり、２つの空間の空気を均一に混合する作用が高まる。そして、２つの空間の温度を均一化させる効果が高まる。

ここで示す空調機、ファン、開口部等の動作、機能等は、予め組み込まれたファームウエア等の動作プログラムをコントロール回路等のプロセッサーで実行することにより実現される。なお、上記時系列でランダムにカオス的な動作は、既知の乱数発生器や疑似ランダム関数を利用した回路等を備え、生成されるランダム数を参照することによって実現される。また、これらのプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、当該プロセッサーによって記録媒体から読み出され、ユーザが操作することによって実行される。

以上のようなシステム構成により、２次空間Ｋ２内における高いレベルでの均一な温度分布を実現することが可能になる。

実施例２は、実施例１における開口部の代わりに循環用ファンを備えた構成のシステムである。実施例１と同様な部分は極力省略して、異なる部分を中心に説明する。

図４は、実施例２で採用される２次恒温槽の断面図である。切断面や視線の設定は、図２の断面Ａと矢印Ｂと同様である。
２次恒温槽４０００において、断熱層の一部には、図１や図２で示したような開口部１００４の代わりに循環用ファン４００１が設けられている。

１次空間と２次空間との間の熱伝達の大部分は、循環用ファン６００１の動作による両空間内の気体の循環によって行われる。循環用ファン６００１のアクチュエータは、実施例１と同様に、時系列でランダムにカオス的回転をするように設けられている。
このような回転動作により、１次空間と２次空間との間の空気循環は、時系列でランダムにカオス的なものになり、２つの空間の空気を均一に混合する作用がある。これにより、２つの空間の熱分布を均一する効果がある。

実施例３は、実施例１や実施例２における２次空間の内部に３次恒温槽を設けた構成のシステムである。実施例１や実施例２と同様な部分は極力省略して、異なる部分を中心に説明する。

図５は、実施例３の２次恒温槽と３次恒温槽を示した断面図である。切断面や視線の設定は、図２の断面Ａと矢印Ｂに準じて設定したものである。２次恒温槽５００１の２次空間Ｋ２に３次恒温槽５００２が設けてある。
これにより、２次恒温槽の断熱層とさらに内側の３次恒温槽の断熱層により、２次恒温槽の外側の１次空間と３次空間Ｋ３との間の熱交換は、より一層限定される。この限定により、１次空間に発生した温度の偏りが、入れ子構造の奥にある３次空間Ｋ３に伝わるのを和らげる熱的ダンピング効果がさらに強化される。

本発明の入れ子構造は、本実施例の３次恒温槽までのものに限定されるものではない。Ｎを３以上の自然数として、１次からＮ次までの恒温槽を有する構成も採用可能である。
図９は、ｍを３以上Ｎ以下の自然数として、
（ｍ−１）次恒温槽、ｍ次恒温槽、（ｍ＋１）次恒温槽、・・・Ｎ次恒温槽までの入れ子構造を示したイメージ図である。

１次空間に発生した温度の偏りが、入れ子構造の奥にあるＮ次空間に伝わるのを和らげる熱的ダンピング効果がさらに一層強化される。

上記のように本発明は、実施例１から３によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものと理解すべきではない。この開示から当業者には、様々な代替実施例が明らかになるであろう。実施例３における３次以上の恒温槽において、実施例１に開示した２次恒温槽の構造と実施例２で開示した２次恒温槽の構造とを組み合わせることなども可能である。

本発明は、温度について精密な精度管理が要求される業界は、食品業界、医薬業界、あるいは精密機械業界など広い分野に渡っている。どの業界においても、本発明の高精度恒温システムを適用可能である。

１００１ １次恒温槽
１００２ ２次恒温槽
１００３ 空調機
１００４ 開口部

Claims (7)

1. （ａ）空調がされた１次空間を有する１次恒温槽と、
   （ｂ）前記１次空間の内部に配置され、前記１次空間との間に断熱層を設けられ２次空間を有する２次恒温槽と、
   （ｃ）前記２次空間に配置された、互いに送風出力と送風方向が異なる複数のファンと、
   （ｄ）前記２次恒温槽に設けられた、前記１次空間と前記２次空間の間の空気循環を起こさせる循環手段と、
   を含み、前記２次空間内の温度分布を均一化するように温度制御することを特徴とする恒温システム。
2. 前記ファンの少なくとも１つは、時系列で、ランダムに、送風出力と送風方向から選ばれる少なくとも１つを変化させる送風制御手段を備え、カオス的な乱流が生じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の恒温システム。
3. 前記循環手段は、前記１次空間と２次空間の間に設けられた開口部又は循環用ファンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の恒温システム。
4. 前記ファンの少なくとも１つは、時系列で、ランダムに、送風出力と送風方向から選ばれる少なくとも１つを変化させる送風制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の恒温システム。
5. 前記開口部は、時系列で、ランダムに開口面積を変化させる開口制御手段を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の恒温システム。
6. 前記循環手段は、時系列で、ランダムに、前記１次空間と前記２次空間との間の空気循環量を変化させる循環量制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の恒温システム。
7. 前記２次空間の中に３次空間を有する３次恒温槽というように、低位次数の空間の中に高位次数の空間を有する高次数恒温槽を設け、１次空間を有する１次恒温槽からN次空間を有するN次恒温槽まで備え、低次数恒温槽と一次数高い恒温槽との関係を前記１次恒温槽と前記２次恒温槽との関係と同様にすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の恒温システム。
   

Images