情報工学教室加藤清史 Measurement and Control of Temperature Pattern

空調実験室における温度バターンの計測と制御

      （昭和52年10月31日 原稿受付）

宇部工業高等専門学校内冨昭三

情報工学教室加藤清史

Measurement and Control of Temperature Pattern        in an Air−Conditioned Room

by Syozo UCHITOMI   Kiyoshi KATO

  Air−conditioning in a Laboratory is to be automatic controled system． The aim of control is the urUform temperature in the room and in the time， but that is not always possible． The difference or variation of measured temperature was considerably large．

  In this paper， we discussed the measuring method and controlability of the temperature pattern and the time−variation， and we make effort to reform the temperature detector in order to improve control perforrnance．

、．まえがき       （3）サイクリング醐ま適当か・

       （4）温度パターンが何らかの形で表現される。

 実験室における空気調和設備は，自動制御システムの     （2）と（3）は人間の感覚が問題になるので，人間工学的な

定温度に制御されることが望ましい。しかし，現実には     そこで，ある空調実験室をモデルに選んで，その特性 室内各点の温度差はかなり大きく，ある特徴的な温度パ    を把握し，改良できるかどうか，計測・制御的に検討した。

高元㌶㌫蕊㌫二‡二㌶二㌶ 2・空調室の温度計測について

を受ける。空調では，温度以外に湿度も制御する必要が    空調室の温度は，吹き出し口・天井付近・床面・窓ぎ あるが，この研究では温度のみに着目した。        わなどの周辺と部屋の中央部では差があり，温度パター  恒温実験室や精密実験室では，設備に費用をかけて空   ンは時々刻々変化する。これらの温度差や変化を計測す

調を行うが，果してどの程度良い結果が得られるのだう    るには多点温度記録装置が必要である。

うか。吹き出し口から温／冷風が出る方式の空気調和装置     空気温度を自動制御するためには，室内温度や外気温 では，空気の循環が問題になるので，吹き出し口の形・   度を検出してフィードバックする方式がとられている 向き・位置が重要である。室温検出器については，その    が，では室内温度とは大体どこの部分の温度を検出した 特性や設置場所を検討する必要があり，制御方式は空調    らよいか。検出器の取り付け位置と温度パターンとはど 規模と関連があるが，非常に重要である。         の程度関連があるかを調べるためにモデル実験室の温度  実験室を使用する立場では，次の点が考慮されていて    パターンを実際に知る必要がある。

ほしい。       温度測定法は，種々考えられるが，留意すべき特性は  （1）仕様に適合するエリアが測定され，明示されてい    精度よりも時定数にあると考える。現在一般の空調器に る。      使用されている検出器には電気式・電子式・空気式があ  （2）温度変動のサイクリング幅や形は良いか。       る。我々が問題としている温度計測には，時定数の小さ

いものを選ぶべきであり電子式のものを採用することが   みると図6のようにバラツキ，相互の差は0．2℃程度で 望ましい・例えば膨脹式や・圧力式で測定したものでは・   あったので十分実用できた。

正しい温度計測は出来ないし，時間的変化も正しくは求

まらない。         踊性．臨鯛雌 、⑳c

       2。熱放散定数（K）   空中でLO〜2．OmW／ C  3．温度パターン計測に適する測定器の製作      3．時 定数（．）  空中で10〜25．㏄

       4．絶縁抵抗     DC500Vで50MΩ以上  サーミヌ・タは・抵抗値の温度係数が非常に大きく・    ．構造寸法

時定数は小さい。しかも素子が極めて小さいため多点の      サ＿，。，    。．，，ト鳳φ。．、

測定には適している。ここで使用したサーミスタは，PSB       … 形サーミスタPB−43（芝浦電子）である。サーミスタの

もう1つの利点は，このパターン測定のように実験室中      ，瑚，

に検出素子を吊り下げて記録計までリード線を引張るよ      図1 PB−43の仕様 うな場合には，リード線の抵抗もかなりあるか，サー

ミスタの抵抗値が大きいのでその誤差が無視できる。

PB−43の特性は下の通りである。構造寸法を図1に，温

度一抵抗特性を図2に示した。

 3．1．検出素子の互換性

 記録計には計測実験室備品の打点ミリボルト記録計を 利用することにしたので12点温度計となった。PB−43 サーミスタを12本それぞれの温度一抵抗特性をとって

       ロみると，予想にもれずバラツキが大きかったので，互換    望

      ヘ      ロ性の補償回路を付ける必要が生じた。図3のよっに抵抗   娯 X，Yを入れ，10℃〜30℃の範囲でほぼ一致した特性を

得るように12枚のグラフから計算で求め図4の結果を   蝋

得た。      ，  3．2．温度一電圧特性のリニア化

 抵抗変化を電圧変化に変換する場合によく利用される

ブリッジ回路の抵抗値を細工して，温度一電圧特性をリニ

の式で求まる

 5   1〜

Q＋s−^{o＋R ＝0}

 5   

1ぞ    5×10−3      35

Q＋S P＋1〜   γ

001        てニ   をお         ニカ     ロ エのフゆね ら   ゆ ゆ ら ゆ コ   ゆ う 

一    ＝      温度〔℃〕

 S   1〜〃  10×10−3      図2 サーミスタの温度特性 Q十S P十R    γ

但し 1ぞ ：10℃におけるサーミスタの抵抗      y        R ：20℃における、サーミスタの抵抗

       R ：30℃におけるサーミスタの抵抗

 その結果P＝9．460KΩ， Q＝10．077KΩ， S＝19．923 KΩと設定し，1ぞF1．623KΩ，1〜2＝47．07Ωとした。

R

この温度一電圧特性を12本，ランダムにプロットして        図3 互換形サーミスタ測温体

       3．3．多点温度記録計の構成

 20       12点の温度を同時に検出するのが望ましいが，実用上

〔16       は各点を順次切換えてゆく方式が経済的である。ここに 9      使用したミリボルト記録計は，打点時間間隔が5秒で）

娯12@      12点では1分で完了する。この1分という時間は，現象 虫 8      の周期に比べて小さいので，使用上充分である。

       各サーミスタに付ける補償抵抗は、プリント基板上に       ＿＿     12回路配線し，記録計の入力端子と接ぐ。記録計の内部

  ゜48慧蔓間242832 にはセレクタユニ・トがあって，1−12の入力端子を1・1貞

       に切換えているので，その出力側に温度検出ブリッジ回     図4 互換形サーミスタの特性

      路を挿入した。（図7）

R       4．室内温度パターンの実例

    図5 温度検出ブリッジ回路       一

       5．室温の検出・制御に関する検討  11

 10       当実験室の空調装置の運転状況は，図13のように，サ

  9

  8

ε

〕6      態になると，コンプレッサー（クーラー）が入り強制冷

       クルを見たとき非常に不合理を感じた。この大きなサイ        クリングの原因は，次の3項目に分けて検討し得る。

       ＿一＿     5．1．空調装置に使用しているべローズ式検出器の   8 10 12 14 16 182022242628303234一1

        温 度〔℃〕       温度一抵抗特性

       実験方法は，図15に示すように恒温槽の中に，被検査   図6 サーミスタ温度計のリニア出力電圧      ，       検出器（図14）と温度計とを吊した装置で，恒温槽の温       度を変化させては，ディジタル計器でそれぞれ抵抗と温  モデルにした実験室は情報工学科の第三計算機室で，

図8の通りである。垂直な縦断面（窓に対して平行な面）

と垂直な横断面（窓に対しても垂直な面）の温度パターン

イクリングの振巾，周期を図13に示す。その結果  （1）サイクリング周期は約15分であった。

 （2）振幅は約±4．5℃〜＋5℃であった。

ミリボルト記録計ブ1

丁 ス1

補

i  セレクタユニツ｝      ル計器は温度測定にディジタルサーモメーター ミ1正il子       蚕機      VX−3101A（ナショナル電子計測），抵抗測定にディジ タ 路 1       タルマルチメータTR−6656（タケダ理研）である。その

端 板

動二

自ユ

衡ト

指 録構

       結果，特性は図16にみるように，検出器の比例帯が約2 図7 多点温度記録計の構成図        ℃で，ヒステリシスがあった。

12000

窓 側 3750

8

oo

×12  x12 x12 x11  ×11

一

 ■

ﾃxg 

H

      ・

竃8

x8   x8

      Pat．4x    x    x    ×

罵7 x7   x  罵7翼    ×    旨    x

2  3  4  5

7    8    9    10   11    12 o

x6 x6   x6

x5

． ．      ． ・

吹出し口 吹出しロ         吹き出し口 吹き出しロ 吹き出し口

空装

吸い

3× 3    3x       、

調置

^込

み

2   2

x       ×

検出器

1 goo §

測定対象

図8 実験室の平面図と測定面（サーミスタ番号と位置）

210

  160   ∈

品

1嘔

60

10

ピら

10   ノ  ：

寮えソ・・S

     図9 断面温度パターン（Pat．1）

 210

 160

官

3 W110

］ロ匡

 60

 10

  1 杉

10   ／  1

㌘15 ノ

㍊25．

   図10 断面温度パターン（Pat・2）

 210

 160

官 呂

W110

1n匡

 60

 10

10   ／  1

窃15  鵠25     宮

   図11 断面温度パターン（Pat．3）

天 井

210

160

110

60

10

＼25

         23℃

−22−一一一一一一＼一一一一一／＼ミ

       図12 検出器のある断面の等温度曲線

窓 側

30

〔

〕25

鱒

20

×サーミスタNo 3

●サーミスタNo 9

       時  間〔min〕

      図13 温度変動サイクリング

恒温槽

検出器

   fun

ｴ温部

ディジタル }ルチメータ

ディジタル ｷ 度 計

150 合

 この検出器のように遅れを含む素子の場合で，比例帯 が小さいと，比例動作（又は多位置動作）をしないで，

二位置動作となることが考えられる。この空調装置の場 合，ヒーターが5段あり，この切換えにステップコント ローラがある。この動作遅れやヒーターの発熱遅れが大 きいために，温度変動幅が大きくなり，ほとんど二位置

動作を行なっていると考える。

 5．2．検出器の取付場所

 検出器の取付場所は，温度サイクルの位相に影響した。

例えば，送風口に対面している点の温度サイクルは，他 図14 検出器の構造      の点より位相が進んでいる・この実験室のように1個所       で検出して制御する場合には，取付場所は制御したい場       所とほぼ同じ状態を呈する場所に設置するのがよい。

       5．3．検出器抵抗値と空調装置の作動との関係        検出器の抵抗値によるステップモーターの回転角で，

      ヒーター1，ヒーター2，……，ヒーター5が入るのでその       対応を調べると表1となっていた。

       以上のことから，この空調装置を改善する方法として       は，（1）検出器の摺動抵抗変化の比例帯をもっと大きくす

      る。（2）検出器の抵抗変化率を小さくする。（3）遅れの小さ

      △Qを小さくするという意味で同じことになる。（3）につ       いてはベローズ式のものは遅れが大きいので（この検出       器の場合，実測値で10分以上であった。），電気式又は電       子式の素子を利用するのが適当だと考える。

6．負荷計算法による検討ω

図15 検出器の温度一抵抗特性      6．1．送風温度，暖房負荷の計算

       暖房負荷計算法により，暖房負荷合計の概数を求め，

      送風温度・有効温度差（＝送風温度一目標室温）を計算       する。室内熱損失は，壁・天井・間仕切の材質・窓ガラ       スの厚さ等で伝熱係数が異る。目標温度を22℃とし，外       気温は10．7℃であった。

      ○風量＝風速〔m／h〕×吹出し口面積〔m2〕＝4．068〔m3／

      h〕         、

      ○室内熱損失合計＝熱損失合計＋余裕（10％）＝4．877       〔Kcal／h〕

      ○外気負荷＝0．29×（25〔m3／h〕×10〔人〕×温度差＝

      819〔Kcal／h〕

温度〔℃〕   ・有効温度差一。》9・室麟失一4・13〔d・g〕

図16 検出器の温度一抵抗特性        ○送風温度＝室温（目標）＋有効温度差＝26．1℃

○暖房負荷合計＝室内熱損失合計＋外気負荷＝5，696      表1 検出器抵抗値

〔Kcal／h〕       抵抗〔Ω〕

 6．2．負荷温度差による暖房負荷と送風温度      0〜 21  北九州における冬期の負荷温度差は，通常10〜25〔℃〕      22〜 34 程度である。この負荷温度差から暖房負荷や送風温度を       35〜 54 求めると表3の通りとなった。

 6．3．吹き出し口温度の実則       88〜101  負荷計算により吹き出し口温度（送風温度）を求めた       102〜160 が，実際には5ステップのヒーターで暖房しているの

で，各ステップでの吹き出し口温度を実測して検討した。

 表1，表3，表4を照合すると，この空調装置の手動運

転を設定することができる。例えば負荷温度差がll℃         表2 室内熱損失の計算 の場合送風温度は25℃であるから，ヒーター1段のみの

バンバン制御で運転できる。

抵

0 〜 21

22

35

ヒーター1段

55

ヒーター2段

66 _{〜 87 ・} ヒーター3段

88

ヒーター4段

102

ヒーター5段

7．検出器改良による運転法の変更例        窓ガラス（ 陶

 7．1．検出器の変更      屋根（コンクリート厚さ 15〔脂）

 5．で検討した様に，この検出器は比例帯が小さいの    間仕切（コンクリートプロノク）

で，オン・オフ動作に近く，かつ遅れか大きいために，     床 （薙クリート）

コンプレッサー（冷却）運転からヒーター5段運転までの    すきま風 サイクルとなって，室温変動幅が大きかった。そこで最      熱損失合計

も簡単に細工できる方法として，従来のベローズ式検出 器をそのまま用いて，図17のように並列抵抗Rρと直列 抵抗R。（可変；ヒーターの段数設定用）を入れた。各定

数は尺，≒70．8Ω，R，：30−150〔Ω〕VRR，1最大49．1    表3送風温度

〔Ω〕である・比例定数を小さくすると蝋催が小さく 毒誓

なり，遅れによる影響も緩和できた。

 7．2．室内温度の測定

 変更した検出器で室温を制御し，多点サーミスタ温度

計で主な点の温度変動を測定記録した。図18，19は，最     12．0 も悪かったデータと最も良かったデーターである。前者     130 の温度変動幅1撮大で約4℃，・陶約3．3℃で，周期は約  14・0 37分であった。後者の場合は極めて好結果で，変動周期

はみられず，変動も1℃以内であった。       17．0  7．3．負荷変動による応答      180  改良検出器は，運転に制限が加わるの℃大きな負荷     19 0 変動，例えば始動時や急に多人数入室した場合，又入射

日光の急変などの時の応答が問題になるので，暖房負荷    22．0 を×きくして，その応答状況を調べた。       23．0  実験方法は，AUTOで定常運転中， MANUALに切り     240 換えて，コンプレッサーを作動させ室温を大きく下げた

後為びAUTOに戻し，応答，1犬況を測定記録した．結果 R°°M TEMPERATURE＝22・°〔℃〕

熱通過率

^面  積

熱損失箇所

ideg）

（m2） （kcaレh）

窓ガラス←・陶

5．5 11．3

外壁（コンクリート厚さ 25〔既）

2．73

11．3

屋鵬劉刷 ^1．76

^11．3

間仕切儒鴛一ト）

_4．5

296．4

床（昊鼻クリート） 1．25

4．5

すきま風

熱損失合計

負 荷 室内熱 外 気 暖 房 有 効 送 風 温度差 損 失 負 荷

負 荷

温 度

合 計

（deg） （kcal／h） （kcal／h） （kcal／h） （deg） （deg）

10．0

3960．8 725．0 5081．9

25．36

4344．0 797．5 5575．9

25．68

4727．1 870．0 6069．8

5110．3 942．5 6563．8 4．33 26．33

5493．5 1015．0 7057．8 4．66 26．66

5876．6 1087．5 7551．8 4．98 26．98

6259．8 1160．0 8045．8

6643．0 1232．5 8539．7

27．63

7026．1 1305．0 9033．7

7409．3 1377．5 9527．7

28．28

7792．5 1450．0 10021．7

8175．6 1522．5 10515．7

28．93

8558．8 1595．0 11009．7

29．25

8942．0 1667．5 11503．7

29．58

9325．1 1740．0 11997．6

29．90

9708．3 1812．5 12491．6 8．23 30．23

表4 吹出し口温度

ヒーター段数 吹出し口温度

1 段 25 ℃

2 段

³⁵

3 段

³⁸

4 段

⁴¹

5 段

⁴⁵

41       ベロ＿ズと連動した  設定用 45      摺動抵抗器

、      図17 検出器の変更回路

30

ロ 8

囲25

鱒

20

×：サーミスタNol O：サーミスタNo 4

△：サーミスタNσ7

・：サーミスタNo 11 口：サーミスタNo 10

5       10       15       20       25       30       35       40       45

       時   間〔分〕

図18 改良後の温度変化（1）

  9

30

時   間〔分〕

図19 改良後の温度変化（皿）

40

35

30 ロ 9

運25

ヨ 20

15

10

時  間〔分〕

図20 負荷変動による応答（外気温10．5℃）

を図20に示した。最大行き過ぎ温度は約3．0℃，行き過     本研究は，空調プロセスの制御というテーマで研究さ ぎ時間約20分であった。      れた。実験装置作成や，多くの実験データは，50年度卒       業生下田博文君・鈴木和彦君，51年度卒業生秋吉孝則君  8．あとがき

      に依るものである。ここに感謝の意を表す。

 温度バターンの計測において，検出器の時定数が小さ いことは不可欠条件であった。また空調装置の検出器の

時定数や比例帯も制御上重大なポイントであった・      参 考 文 献

 温度パターンを1個の検出器で制御しても，かなり良    1）空気調和・衛生工学会編，空気調和設備の実務の知識 い結果が出てきたが，パターンを多点で検出して，パター     第1版7刷・オーム社・

      2）高田・船橋・小笠原 共著，空気調和の自動制御 第2 ン制御する方向に研究を進めたい・この場合・空気の挙    版第5刷，オ＿ム社．

動を考慮する必要があるだろう。