冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システム
【課題】 循環水の温度変動幅を適切に制御することにより、消費電力を削減する。
【解決手段】 循環水３を冷却する冷凍機５と、前記循環水３を加熱するヒータ６とを備え、前記循環水３が外部機器４を冷却する冷却水循環装置１であって、前記冷凍機５をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記ヒータをＯＦＦ状態にする第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記循環水３の精密温度制御を行う第２の運転モードとを備える。
【解決手段】 循環水３を冷却する冷凍機５と、前記循環水３を加熱するヒータ６とを備え、前記循環水３が外部機器４を冷却する冷却水循環装置１であって、前記冷凍機５をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記ヒータをＯＦＦ状態にする第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記循環水３の精密温度制御を行う第２の運転モードとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機及びヒータを備える冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）は、真空状態を作り出すための油拡散ポンプ（DP：Diffusion Pump）と、荷電粒子の軌道を変化させたり、粒子ビームを収束させたりする電子レンズとが使用される。油拡散ポンプは、外周壁の内面を専用油の液化温度以下に保つことが要求され、電子レンズは、コイルに流れる電流値が大きいと発熱を伴うので冷却の必要がある。このとき、冷却する冷却水（循環水）の温度範囲は双方共に１５〜２５°C程度であり共通するが、許容される温度変動幅は、油拡散ポンプが±２°C程度であるのに対して、電子レンズが±０．２°C程度と異なる。
そこで、冷却水温度を１８°C±０．２°Cの電子レンズの条件に設定することにより、油拡散ポンプと電子レンズとの兼用冷却に適した冷却水循環装置が知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】"日立冷水循環装置 W-5030Tq"、[online］、[平成１７年 ６月２４日検索］、インターネット<URL:http://www.hitachi-tec.com/em/emp/w5030tq.html>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、油拡散ポンプあるいは電子レンズから戻ってきた循環水の温度が設定温度よりも高い場合には冷凍機で冷却し、設定温度よりも低い場合には電気ヒータで加熱することが考えられる。
この場合には、冷凍機と電気ヒータとの切り替えが交互に行われることがあり、冷凍機による制御は、使用されるモータ、冷却ポンプの特性に起因する無駄時間、一次遅れ等の遅れ時間により温度変動幅が大きくなり、前記無駄時間に起因する振動が発生することがある。
このため、一旦、冷凍機で循環水を冷却させてから電気ヒータで１８°Ｃの設定温度まで加熱し、無駄時間等が少ない電気ヒータを用いて、例えば±０．２°Ｃの高精度に温度制御することが行われる。
ところで、油拡散ポンプのみを運転する真空排気モードでの運転は、２４時間運転であるのに対して、観察に伴って電子レンズの冷却を行う観察モードでの運転は、通常、４〜１２時間／日程度である。
±２°Ｃの温度変動幅で十分である走査電子顕微鏡での観察を停止し、電子レンズの発熱量がゼロであるときに、±０．２°Ｃの高精度に循環水温度の制御を行い、冷凍機を常時ＯＮ状態に設定していることは、多量の電力を無駄に消費していることになる。
【０００４】
そこで、本発明は、循環水の温度変動幅を適切に制御することにより、消費電力を削減することができる冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の冷却水循環装置は、循環水を冷却する冷凍機と、前記循環水を加熱するヒータとを備え、前記循環水が外部機器を冷却する冷却水循環装置であって、前記ヒータをＯＦＦ状態にし、前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御して前記循環水を温度制御する第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記第１の運転モードよりも狭い温度変動幅で前記循環水を温度制御する第２の運転モードとを備えることを特徴とする。
【０００６】
冷凍機は、モータ、冷却ポンプを用いて機械的に循環される冷却媒体を介して、循環水と熱交換を行う。このモータ、冷却ポンプの応答時間、無駄時間は、ヒータ自体のそれより長い。そのため、冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、ヒータをＯＦＦ状態にする第１の運転モードの方が、冷凍機をＯＮ状態にし、ヒータを用いて循環水の温度制御を行う第２の運転モードよりも循環水の温度変動幅が大きくなる。また、冷凍機のみをＯＮ／ＯＦＦ制御する第１の運転モードの方が冷凍機及びヒータを用いる第２の運転モードよりも、消費電力が少ない。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、循環水の温度変動幅が適切に制御され、消費電力を削減することができる冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態である冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムの構成を図１を参照して説明する（適宜図１〜図３参照）。
科学機器システム２０は、冷却水循環装置１及び科学機器４を主に構成されている。冷却水循環装置１は、冷却水である循環水３を貯める水槽２と、循環水３を冷却する冷凍機５と、循環水３を加熱するヒータである電気ヒータ６と、温度測定子１３が測定した循環水３の温度を用いて冷凍機５あるいは電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御する水温制御系７とを主に備えている。科学機器４は、例えば走査電子顕微鏡であり、循環水３を用いて冷却される電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を備え、これらの冷却機器は循環水パイプ２２，２４を介して水槽２と連結している。
【０００９】
冷却水循環装置１を構成する水槽２の下部に温度測定子１３が取り付けられ、水槽２の下部であり、温度測定子１３に対向する壁面に電気ヒータ６が取り付けられている。また、水槽２の上部に開口させられた循環水吐出口９及び循環水戻り口１０には、循環水パイプ２２，２４が設けられている。
【００１０】
冷凍機５には、循環水３と熱交換し、冷却媒体が通流する熱交換パイプ５１が接続されており、熱交換パイプ５１は水槽２の上部に投入され、モータ５２で駆動される冷却ポンプ５４は冷却媒体を循環させている。また、冷凍機５の冷却能力は、必要とする最大冷却能力よりも僅かに大きい冷却能力を有している。なお、冷凍機５は、ＯＮ／ＯＦＦ制御により駆動され、コネクタ５６が設けられている。
【００１１】
電気ヒータ６は、棒状の金属の中に発熱体が封入され、電気的に加熱するものであり、ＯＮ／ＯＦＦ制御するためのコネクタ６２が設けられている。また、電気ヒータ６の加熱能力は冷凍機５の冷却能力を僅かに超えるように設計されている。熱交換パイプ５１は、水槽２の上部に投入させられ、電気ヒータ６は、水槽２の下部に取り付けられているので、熱交換パイプ５１により冷却された循環水３は下降し、電気ヒータ６により加熱された循環水３は上昇する。これにより、循環水３の温度分布は均一になる。
【００１２】
温度測定子１３は、棒状の金属の中に図示しない白金測温抵抗素子が封入され、測定された抵抗値に対応する電圧を出力するコネクタ１６が設けられている。白金測温抵抗素子は、温度上昇と共に抵抗値が上昇する特性を有しているので、温度測定子１３の出力電圧は温度上昇と共に高くなる。
【００１３】
本実施形態の特徴構成である水温制御系７は、温度測定子１３の出力電圧に基づいて冷凍機５及び電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するものであり、科学機器４の指令により、冷凍機５のみをＯＮ／ＯＦＦ制御する第１の運転モードと、冷凍機５をＯＮ状態にし、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御する第２の運転モードとが切り替えられる。また、冷凍機５あるいは電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するために、リレー接点７２，７４が設けられている。
【００１４】
一方、科学機器４には、冷凍機５のＯＮ／ＯＦＦ制御を指示する低精度運転要求接点１２と電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御を指示する高精度運転要求接点１１とが設けられており、これらの接点はリモート制御端子４２，４４を介して水温制御系７に接続されている。
【００１５】
循環水パイプ２４には、圧送ポンプ８が介挿されており、図２に示すように、科学機器４内の電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５に循環水３を圧送し、循環水３は循環水パイプ２２を介して水槽２に還流するように構成されている。言い換えれば、循環水３は、電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を兼用して冷却している。
【００１６】
ここで、油拡散ポンプ１５は、専用油を加熱することで発生する高速の油蒸気流を利用して所望の真空状態を作り出すものであり、構造上外周壁の内面を専用油の液化温度以下に保つことが要求される。このため一般的には、電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５は循環水３を用いて冷却が行われ、要求される温度範囲は１５°Ｃから２５°Ｃであり、許容される温度変動幅は、±２°Ｃ程度であるまた、電子レンズに供給される循環水３の温度範囲は１５°Ｃから２５°Ｃであり、許容される温度変動幅は、±０．２°Ｃ程度である。
言い換えれば、科学機器４は、同一の循環水３を用いて冷却される冷却機器である電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を備えている。
【００１７】
次に、図３を参照して水温制御系７の回路構成を説明する。水温制御系７は、コンパレータ７７，７８及びリレーＲＹ１，ＲＹ２を主として備え、コンパレータ７７，７８は抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４及び基準電源Ｖｒと共に、ウィンドウコンパレータを構成している。
温度測定子１３の出力の一端は、バッファ７５を介して、抵抗器Ｒ１，Ｒ３の一端に接続され、他端は接地されている。抵抗器Ｒ１の他端は抵抗器Ｒ２の一端とコンパレータ７７の正転入力（＋）に接続され、コンパレータ７７の出力は抵抗器Ｒ２の他端に接続されている。また、抵抗器Ｒ３の他端は抵抗器Ｒ４の一端とコンパレータ７８の正転入力（＋）に接続され、コンパレータ７８の出力は抵抗器Ｒ４の他端に接続されている。さらに、コンパレータ７７，７８の反転入力（−）は、可変の基準電源Ｖｒに接続されている。
【００１８】
そして、コンパレータ７７の出力は、反転アンプ７６と、科学機器４の内部に設けられている低精度運転要求接点１２とを介してリレーＲＹ１のコイルの一端に接続されている。また、コンパレータ７８の出力は、反転アンプ７９と、科学機器４内部に設けられている高精度運転要求接点１１とを介してリレーＲＹ２のコイルの一端に接続されている。なお、リレーＲＹ１，ＲＹ２のコイルの他端は、接地されている。さらに、リレーＲＹ１のリレー接点７２はコネクタを介して冷凍機５に接続され、リレーＲＹ２のリレー接点７４は電気ヒータ６に接続されている。ここで、リレー接点７２にはコイルに電流が流れていないときに導通し、電流が流れているときに開放する接点を用い、リレー接点７４にはコイルに電流が流れていないときに開放し、電流が流れているときに導通する接点を用いている。
【００１９】
次に、本実施形態の科学機器システムの動作を第１の運転モードと第２の運転モードとに分けて説明する。
第１の運転モードは、冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電気ヒータ６をＯＦＦ状態にするモードであり、低精度運転要求接点１２を導通し、高精度運転要求接点１１を開放する切替信号が科学機器４から水温制御系７に出力される。この状態では、リレーＲＹ２のコイルに電流が流れず、リレー接点７４が開放されるので、電気ヒータ６は停止している。
【００２０】
循環水３の温度が上昇すると温度測定子１３内部の白金測温抵抗素子の抵抗値が高くなり、温度測定子１３の出力電圧が上昇する。バッファ７５を介したこの出力電圧は、コンパレータ７７及び抵抗器Ｒ１，Ｒ２からなるウィンドウコンパレータにより基準電源Ｖｒと比較される。
【００２１】
コンパレータ７７の出力電圧Ｖoutのハイレベル電位をＶHとし、ローレベル電位をＶLとして、このウィンドウコンパレータの特性を図４を参照して説明する。バッファ７５の出力電圧に等しいウィンドウコンパレータの入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTH＝｛（１＋Ｒ2／Ｒ1）Ｖｒ−ＶL｝／（Ｒ2／Ｒ1）よりも低いときには出力電圧Ｖoutがローレベル電位ＶLとなる。ここで、Ｒ2／Ｒ1は、抵抗器Ｒ２の抵抗値と抵抗器Ｒ１の抵抗値との比である。
【００２２】
入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも高くなると、出力電圧Ｖoutがハイレベル電位ＶHに反転する。逆に、入力電圧ＶINが低下する場合には、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも低くなるのみでは出力電圧Ｖoutが反転せず、しきい値電圧ＶTL＝｛（１＋Ｒ2／Ｒ1）Ｖｒ−ＶH｝／（Ｒ2／Ｒ1）よりも低くなったときに、ローレベル電位ＶLに反転する。
【００２３】
また、コンパレータ７８及び抵抗器Ｒ３，Ｒ４から構成されるウィンドウコンパレータも同様の動作が行われる。ここで、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとは循環水３の設定温度及び温度変動幅に対応するように設定される。
【００２４】
すなわち、循環水３の温度が高い場合は、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも高くなり、コンパレータ７７の出力電圧がハイレベル電位ＶHとなる。さらに、反転アンプ７６により反転され、ローレベル電位となるので、リレーＲＹ１のコイルには電流が流れない。これにより、リレー接点７２が導通状態となり冷凍機５が運転し、循環水３の温度が低下する。
【００２５】
これにより、循環水３の温度が低下すると、温度測定子１３の出力電圧が低下する。これにより、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTL以下に到達するとコンパレータ７７の出力電圧が反転し、ローレベル電位ＶLになる。すなわち、反転アンプ７６の出力がハイレベル電位になるのでリレーＲＹ１のコイルに電流が流れ、リレー接点７２が開放状態となり冷凍機５の運転が停止し、循環水３の温度が上昇する。
【００２６】
このようにして、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとの間でＯＮ／ＯＦＦ制御が行われ、循環水３の設定温度及び温度変動幅に対応するように温度の上昇と低下が繰り返される。
【００２７】
第２の運転モードは、冷凍機５を連続運転し、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するモードであり、高精度運転要求接点１１が導通し、低精度運転要求接点１２を開放する切替信号が科学機器４から出力される。この状態では、リレーＲＹ１のコイルが導通せず、リレー接点７２が導通し、冷凍機５の運転が継続する。
【００２８】
循環水３の温度が高い場合は、温度測定子１３の出力電圧がしきい値電圧ＶTHよりも高く、コンパレータ７８の出力電圧がハイレベル電位ＶHとなり、反転アンプ７９の出力がローレベル電位となる。すなわち、リレーＲＹ２のコイルには電流が流れず、リレー接点７４が開放状態となり電気ヒータ６が停止し、循環水３の温度が低下する。
【００２９】
これにより、温度測定子１３の出力電圧が低下し、この電圧がしきい値電圧ＶTL以下に到達するとコンパレータ７８の出力が反転し、ローレベル電位ＶLとなり、反転アンプ７９の出力がハイレベル電位となる。これにより、リレーＲＹ２のコイルに電流が流れ、リレー接点７２が導通状態となり電気ヒータ６が動作する。これにより、循環水３の温度が上昇するので、冷凍機５が運転状態のまま電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御が繰り返される。
【００３０】
ここで、電気ヒータ６は、冷凍機５と異なり、冷却ポンプ５４、モータ５２等の機械的装置を使っていないので、遅れ時間が短く、無駄時間も短いか皆無である。そのため、電気ヒータ６による温度制御は、冷凍機５による温度制御と比べて、循環水３の温度のオーバシュート等が少なく、無駄時間に起因する振動も発生しない。このため、ＯＮ／ＯＦＦ制御の時間幅を短くすることができるので、温度変動幅を狭くすることができる。すなわち、電気ヒータ６による制御の方が、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとの差を狭く設定することができ、精密温度制御が可能である。
【００３１】
すなわち、高精度運転要求接点１１を短絡して、低精度運転要求接点１２を開放にすれば冷凍機５を連続運転した状態で、電気ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御できるので、例えば、±０．２°Ｃの温度変動幅で循環水３を温度制御することができる。また、高精度運転要求接点１１を開放して、低精度運転要求接点１２を短絡すれば、電気ヒータ６を停止した状態で、冷凍機５をＯＮ／ＯＦＦ制御できるので、例えば、±２°Ｃの温度変動幅で循環水３を温度制御することができる。
【００３２】
図５では、低精度運転要求接点１２と高精度運転要求接点１１とを開放状態（ＯＦＦ）あるいは短絡状態（ＯＮ）にした運転モードの組み合わせと、その運転状態と、循環水温度との関係を表にして分類している。ここでは、低精度運転要求接点１２及び高精度運転要求接点１１を開放にした状態のモードを設けることにしている。これにより、冷凍機５及び電気ヒータ６を停止させ、未制御状態となり、常温での運転が可能になる。これにより、冷却水循環装置１は、科学機器４の低精度運転要求接点１２と高精度運転要求接点１１の開閉状態により、停止、冷凍機５のＯＮ／ＯＦＦ運転のみによる±２．０°Ｃの低精度運転、冷凍機５の常時ＯＮ運転に加えて電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ運転による±０．２°Ｃの高精度運転の三種類の運転要求指示（切替信号）を受け付けることができる。
【００３３】
また、電気ヒータ６によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合には冷凍機５を常時運転させ（図６（ａ）参照）、冷凍機５によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合には、電気ヒータ６を常時停止させている（図６（ｂ）参照）。このため、冷凍機５によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合の方が電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御よりも消費電力が少ない。このとき、冷凍機５は、必要とする最大冷却能力よりも僅かに大きい冷却能力で運転しているので、過剰な電力消費を行っている。
【００３４】
以上、説明したように本実施形態によれば、走査電子顕微鏡等の科学機器４に使用される冷却水循環装置１において、科学機器４に供給される循環水（冷却水）３の温度変動幅（要求温度精度）が運転中に高精度から低精度に変化した場合に、温度変動幅に適した簡便な温度制御方式に切り替わるため、常に高い消費電力が要求される高精度に管理された循環水３を供給せずに済むようになり、無駄な電力を消費しない。言い換えれば、科学機器システムの省エネルギー（電力）対応設計を行うことができる。
【００３５】
（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御したが、ＰＩＤ制御を用いて電流制御あるいはパルス幅制御を行うことにより温度変動幅の精度を上げることができる。
（２）前記実施形態は、走査電子顕微鏡に備えられている油拡散ポンプ１５と電子レンズ１４とを冷却したが、冷却設定温度が同一であり、温度変動幅が異なるものであれば、他の冷却機器を冷却することができる。
（３）前記実施形態は、循環水パイプ２２，２４から循環水３を分岐させて拡散ポンプ１５と電子レンズ１４に供給したが、拡散ポンプ１５と電子レンズ１４との何れか一方の冷却機器に循環水３を供給し、排出された循環水３を他の冷却機器に供給することもできる。
（４）前記実施形態は、金属の中に発熱体を封入した電気ヒータ６を用いて制御したが、赤外線ヒータ、電磁誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating）等を用いても高精度に温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態の冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムの構成図である。
【図２】科学機器及び冷却水循環装置の冷却水循環経路を説明するための図である。
【図３】水温制御系の回路構成図である。
【図４】ウィンドウコンパレータの動作を説明するための図である。
【図５】運転モードの選択と、その運転状態と、循環水温度との関係を示した図である。
【図６】冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御した場合と電気ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御した場合とで消費電力を比較するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 冷却水循環装置
２ 水槽
３ 循環水
４ 科学機器
５ 冷凍機
６ 電気ヒータ
７ 水温制御系
８ 圧送ポンプ
９ 循環水吐出口
１０ 循環水戻り口
１１ 高精度運転要求接点
１２ 低精度運転要求接点
１３ 温度測定子
１４ 電子レンズ
１５ 油拡散ポンプ
１６，５６，６２ コネクタ
２０ 科学機器システム
２２，２４ 循環水パイプ
４２，４４ リモート制御端子
５１ 熱交換パイプ
５２ モータ
５４ 冷却ポンプ
７２，７４ リレー接点
７５ バッファ
７６，７９ 反転アンプ
７７，７８ コンパレータ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 抵抗器
ＲＹ１，ＲＹ２ リレー
Ｖｒ 基準電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機及びヒータを備える冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）は、真空状態を作り出すための油拡散ポンプ（DP：Diffusion Pump）と、荷電粒子の軌道を変化させたり、粒子ビームを収束させたりする電子レンズとが使用される。油拡散ポンプは、外周壁の内面を専用油の液化温度以下に保つことが要求され、電子レンズは、コイルに流れる電流値が大きいと発熱を伴うので冷却の必要がある。このとき、冷却する冷却水（循環水）の温度範囲は双方共に１５〜２５°C程度であり共通するが、許容される温度変動幅は、油拡散ポンプが±２°C程度であるのに対して、電子レンズが±０．２°C程度と異なる。
そこで、冷却水温度を１８°C±０．２°Cの電子レンズの条件に設定することにより、油拡散ポンプと電子レンズとの兼用冷却に適した冷却水循環装置が知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】"日立冷水循環装置 W-5030Tq"、[online］、[平成１７年 ６月２４日検索］、インターネット<URL:http://www.hitachi-tec.com/em/emp/w5030tq.html>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、油拡散ポンプあるいは電子レンズから戻ってきた循環水の温度が設定温度よりも高い場合には冷凍機で冷却し、設定温度よりも低い場合には電気ヒータで加熱することが考えられる。
この場合には、冷凍機と電気ヒータとの切り替えが交互に行われることがあり、冷凍機による制御は、使用されるモータ、冷却ポンプの特性に起因する無駄時間、一次遅れ等の遅れ時間により温度変動幅が大きくなり、前記無駄時間に起因する振動が発生することがある。
このため、一旦、冷凍機で循環水を冷却させてから電気ヒータで１８°Ｃの設定温度まで加熱し、無駄時間等が少ない電気ヒータを用いて、例えば±０．２°Ｃの高精度に温度制御することが行われる。
ところで、油拡散ポンプのみを運転する真空排気モードでの運転は、２４時間運転であるのに対して、観察に伴って電子レンズの冷却を行う観察モードでの運転は、通常、４〜１２時間／日程度である。
±２°Ｃの温度変動幅で十分である走査電子顕微鏡での観察を停止し、電子レンズの発熱量がゼロであるときに、±０．２°Ｃの高精度に循環水温度の制御を行い、冷凍機を常時ＯＮ状態に設定していることは、多量の電力を無駄に消費していることになる。
【０００４】
そこで、本発明は、循環水の温度変動幅を適切に制御することにより、消費電力を削減することができる冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の冷却水循環装置は、循環水を冷却する冷凍機と、前記循環水を加熱するヒータとを備え、前記循環水が外部機器を冷却する冷却水循環装置であって、前記ヒータをＯＦＦ状態にし、前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御して前記循環水を温度制御する第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記第１の運転モードよりも狭い温度変動幅で前記循環水を温度制御する第２の運転モードとを備えることを特徴とする。
【０００６】
冷凍機は、モータ、冷却ポンプを用いて機械的に循環される冷却媒体を介して、循環水と熱交換を行う。このモータ、冷却ポンプの応答時間、無駄時間は、ヒータ自体のそれより長い。そのため、冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、ヒータをＯＦＦ状態にする第１の運転モードの方が、冷凍機をＯＮ状態にし、ヒータを用いて循環水の温度制御を行う第２の運転モードよりも循環水の温度変動幅が大きくなる。また、冷凍機のみをＯＮ／ＯＦＦ制御する第１の運転モードの方が冷凍機及びヒータを用いる第２の運転モードよりも、消費電力が少ない。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、循環水の温度変動幅が適切に制御され、消費電力を削減することができる冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態である冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムの構成を図１を参照して説明する（適宜図１〜図３参照）。
科学機器システム２０は、冷却水循環装置１及び科学機器４を主に構成されている。冷却水循環装置１は、冷却水である循環水３を貯める水槽２と、循環水３を冷却する冷凍機５と、循環水３を加熱するヒータである電気ヒータ６と、温度測定子１３が測定した循環水３の温度を用いて冷凍機５あるいは電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御する水温制御系７とを主に備えている。科学機器４は、例えば走査電子顕微鏡であり、循環水３を用いて冷却される電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を備え、これらの冷却機器は循環水パイプ２２，２４を介して水槽２と連結している。
【０００９】
冷却水循環装置１を構成する水槽２の下部に温度測定子１３が取り付けられ、水槽２の下部であり、温度測定子１３に対向する壁面に電気ヒータ６が取り付けられている。また、水槽２の上部に開口させられた循環水吐出口９及び循環水戻り口１０には、循環水パイプ２２，２４が設けられている。
【００１０】
冷凍機５には、循環水３と熱交換し、冷却媒体が通流する熱交換パイプ５１が接続されており、熱交換パイプ５１は水槽２の上部に投入され、モータ５２で駆動される冷却ポンプ５４は冷却媒体を循環させている。また、冷凍機５の冷却能力は、必要とする最大冷却能力よりも僅かに大きい冷却能力を有している。なお、冷凍機５は、ＯＮ／ＯＦＦ制御により駆動され、コネクタ５６が設けられている。
【００１１】
電気ヒータ６は、棒状の金属の中に発熱体が封入され、電気的に加熱するものであり、ＯＮ／ＯＦＦ制御するためのコネクタ６２が設けられている。また、電気ヒータ６の加熱能力は冷凍機５の冷却能力を僅かに超えるように設計されている。熱交換パイプ５１は、水槽２の上部に投入させられ、電気ヒータ６は、水槽２の下部に取り付けられているので、熱交換パイプ５１により冷却された循環水３は下降し、電気ヒータ６により加熱された循環水３は上昇する。これにより、循環水３の温度分布は均一になる。
【００１２】
温度測定子１３は、棒状の金属の中に図示しない白金測温抵抗素子が封入され、測定された抵抗値に対応する電圧を出力するコネクタ１６が設けられている。白金測温抵抗素子は、温度上昇と共に抵抗値が上昇する特性を有しているので、温度測定子１３の出力電圧は温度上昇と共に高くなる。
【００１３】
本実施形態の特徴構成である水温制御系７は、温度測定子１３の出力電圧に基づいて冷凍機５及び電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するものであり、科学機器４の指令により、冷凍機５のみをＯＮ／ＯＦＦ制御する第１の運転モードと、冷凍機５をＯＮ状態にし、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御する第２の運転モードとが切り替えられる。また、冷凍機５あるいは電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するために、リレー接点７２，７４が設けられている。
【００１４】
一方、科学機器４には、冷凍機５のＯＮ／ＯＦＦ制御を指示する低精度運転要求接点１２と電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御を指示する高精度運転要求接点１１とが設けられており、これらの接点はリモート制御端子４２，４４を介して水温制御系７に接続されている。
【００１５】
循環水パイプ２４には、圧送ポンプ８が介挿されており、図２に示すように、科学機器４内の電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５に循環水３を圧送し、循環水３は循環水パイプ２２を介して水槽２に還流するように構成されている。言い換えれば、循環水３は、電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を兼用して冷却している。
【００１６】
ここで、油拡散ポンプ１５は、専用油を加熱することで発生する高速の油蒸気流を利用して所望の真空状態を作り出すものであり、構造上外周壁の内面を専用油の液化温度以下に保つことが要求される。このため一般的には、電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５は循環水３を用いて冷却が行われ、要求される温度範囲は１５°Ｃから２５°Ｃであり、許容される温度変動幅は、±２°Ｃ程度であるまた、電子レンズに供給される循環水３の温度範囲は１５°Ｃから２５°Ｃであり、許容される温度変動幅は、±０．２°Ｃ程度である。
言い換えれば、科学機器４は、同一の循環水３を用いて冷却される冷却機器である電子レンズ１４及び油拡散ポンプ１５を備えている。
【００１７】
次に、図３を参照して水温制御系７の回路構成を説明する。水温制御系７は、コンパレータ７７，７８及びリレーＲＹ１，ＲＹ２を主として備え、コンパレータ７７，７８は抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４及び基準電源Ｖｒと共に、ウィンドウコンパレータを構成している。
温度測定子１３の出力の一端は、バッファ７５を介して、抵抗器Ｒ１，Ｒ３の一端に接続され、他端は接地されている。抵抗器Ｒ１の他端は抵抗器Ｒ２の一端とコンパレータ７７の正転入力（＋）に接続され、コンパレータ７７の出力は抵抗器Ｒ２の他端に接続されている。また、抵抗器Ｒ３の他端は抵抗器Ｒ４の一端とコンパレータ７８の正転入力（＋）に接続され、コンパレータ７８の出力は抵抗器Ｒ４の他端に接続されている。さらに、コンパレータ７７，７８の反転入力（−）は、可変の基準電源Ｖｒに接続されている。
【００１８】
そして、コンパレータ７７の出力は、反転アンプ７６と、科学機器４の内部に設けられている低精度運転要求接点１２とを介してリレーＲＹ１のコイルの一端に接続されている。また、コンパレータ７８の出力は、反転アンプ７９と、科学機器４内部に設けられている高精度運転要求接点１１とを介してリレーＲＹ２のコイルの一端に接続されている。なお、リレーＲＹ１，ＲＹ２のコイルの他端は、接地されている。さらに、リレーＲＹ１のリレー接点７２はコネクタを介して冷凍機５に接続され、リレーＲＹ２のリレー接点７４は電気ヒータ６に接続されている。ここで、リレー接点７２にはコイルに電流が流れていないときに導通し、電流が流れているときに開放する接点を用い、リレー接点７４にはコイルに電流が流れていないときに開放し、電流が流れているときに導通する接点を用いている。
【００１９】
次に、本実施形態の科学機器システムの動作を第１の運転モードと第２の運転モードとに分けて説明する。
第１の運転モードは、冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電気ヒータ６をＯＦＦ状態にするモードであり、低精度運転要求接点１２を導通し、高精度運転要求接点１１を開放する切替信号が科学機器４から水温制御系７に出力される。この状態では、リレーＲＹ２のコイルに電流が流れず、リレー接点７４が開放されるので、電気ヒータ６は停止している。
【００２０】
循環水３の温度が上昇すると温度測定子１３内部の白金測温抵抗素子の抵抗値が高くなり、温度測定子１３の出力電圧が上昇する。バッファ７５を介したこの出力電圧は、コンパレータ７７及び抵抗器Ｒ１，Ｒ２からなるウィンドウコンパレータにより基準電源Ｖｒと比較される。
【００２１】
コンパレータ７７の出力電圧Ｖoutのハイレベル電位をＶHとし、ローレベル電位をＶLとして、このウィンドウコンパレータの特性を図４を参照して説明する。バッファ７５の出力電圧に等しいウィンドウコンパレータの入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTH＝｛（１＋Ｒ2／Ｒ1）Ｖｒ−ＶL｝／（Ｒ2／Ｒ1）よりも低いときには出力電圧Ｖoutがローレベル電位ＶLとなる。ここで、Ｒ2／Ｒ1は、抵抗器Ｒ２の抵抗値と抵抗器Ｒ１の抵抗値との比である。
【００２２】
入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも高くなると、出力電圧Ｖoutがハイレベル電位ＶHに反転する。逆に、入力電圧ＶINが低下する場合には、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも低くなるのみでは出力電圧Ｖoutが反転せず、しきい値電圧ＶTL＝｛（１＋Ｒ2／Ｒ1）Ｖｒ−ＶH｝／（Ｒ2／Ｒ1）よりも低くなったときに、ローレベル電位ＶLに反転する。
【００２３】
また、コンパレータ７８及び抵抗器Ｒ３，Ｒ４から構成されるウィンドウコンパレータも同様の動作が行われる。ここで、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとは循環水３の設定温度及び温度変動幅に対応するように設定される。
【００２４】
すなわち、循環水３の温度が高い場合は、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTHよりも高くなり、コンパレータ７７の出力電圧がハイレベル電位ＶHとなる。さらに、反転アンプ７６により反転され、ローレベル電位となるので、リレーＲＹ１のコイルには電流が流れない。これにより、リレー接点７２が導通状態となり冷凍機５が運転し、循環水３の温度が低下する。
【００２５】
これにより、循環水３の温度が低下すると、温度測定子１３の出力電圧が低下する。これにより、入力電圧ＶINがしきい値電圧ＶTL以下に到達するとコンパレータ７７の出力電圧が反転し、ローレベル電位ＶLになる。すなわち、反転アンプ７６の出力がハイレベル電位になるのでリレーＲＹ１のコイルに電流が流れ、リレー接点７２が開放状態となり冷凍機５の運転が停止し、循環水３の温度が上昇する。
【００２６】
このようにして、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとの間でＯＮ／ＯＦＦ制御が行われ、循環水３の設定温度及び温度変動幅に対応するように温度の上昇と低下が繰り返される。
【００２７】
第２の運転モードは、冷凍機５を連続運転し、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するモードであり、高精度運転要求接点１１が導通し、低精度運転要求接点１２を開放する切替信号が科学機器４から出力される。この状態では、リレーＲＹ１のコイルが導通せず、リレー接点７２が導通し、冷凍機５の運転が継続する。
【００２８】
循環水３の温度が高い場合は、温度測定子１３の出力電圧がしきい値電圧ＶTHよりも高く、コンパレータ７８の出力電圧がハイレベル電位ＶHとなり、反転アンプ７９の出力がローレベル電位となる。すなわち、リレーＲＹ２のコイルには電流が流れず、リレー接点７４が開放状態となり電気ヒータ６が停止し、循環水３の温度が低下する。
【００２９】
これにより、温度測定子１３の出力電圧が低下し、この電圧がしきい値電圧ＶTL以下に到達するとコンパレータ７８の出力が反転し、ローレベル電位ＶLとなり、反転アンプ７９の出力がハイレベル電位となる。これにより、リレーＲＹ２のコイルに電流が流れ、リレー接点７２が導通状態となり電気ヒータ６が動作する。これにより、循環水３の温度が上昇するので、冷凍機５が運転状態のまま電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御が繰り返される。
【００３０】
ここで、電気ヒータ６は、冷凍機５と異なり、冷却ポンプ５４、モータ５２等の機械的装置を使っていないので、遅れ時間が短く、無駄時間も短いか皆無である。そのため、電気ヒータ６による温度制御は、冷凍機５による温度制御と比べて、循環水３の温度のオーバシュート等が少なく、無駄時間に起因する振動も発生しない。このため、ＯＮ／ＯＦＦ制御の時間幅を短くすることができるので、温度変動幅を狭くすることができる。すなわち、電気ヒータ６による制御の方が、しきい値電圧ＶTHとしきい値電圧ＶTLとの差を狭く設定することができ、精密温度制御が可能である。
【００３１】
すなわち、高精度運転要求接点１１を短絡して、低精度運転要求接点１２を開放にすれば冷凍機５を連続運転した状態で、電気ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御できるので、例えば、±０．２°Ｃの温度変動幅で循環水３を温度制御することができる。また、高精度運転要求接点１１を開放して、低精度運転要求接点１２を短絡すれば、電気ヒータ６を停止した状態で、冷凍機５をＯＮ／ＯＦＦ制御できるので、例えば、±２°Ｃの温度変動幅で循環水３を温度制御することができる。
【００３２】
図５では、低精度運転要求接点１２と高精度運転要求接点１１とを開放状態（ＯＦＦ）あるいは短絡状態（ＯＮ）にした運転モードの組み合わせと、その運転状態と、循環水温度との関係を表にして分類している。ここでは、低精度運転要求接点１２及び高精度運転要求接点１１を開放にした状態のモードを設けることにしている。これにより、冷凍機５及び電気ヒータ６を停止させ、未制御状態となり、常温での運転が可能になる。これにより、冷却水循環装置１は、科学機器４の低精度運転要求接点１２と高精度運転要求接点１１の開閉状態により、停止、冷凍機５のＯＮ／ＯＦＦ運転のみによる±２．０°Ｃの低精度運転、冷凍機５の常時ＯＮ運転に加えて電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ運転による±０．２°Ｃの高精度運転の三種類の運転要求指示（切替信号）を受け付けることができる。
【００３３】
また、電気ヒータ６によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合には冷凍機５を常時運転させ（図６（ａ）参照）、冷凍機５によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合には、電気ヒータ６を常時停止させている（図６（ｂ）参照）。このため、冷凍機５によるＯＮ／ＯＦＦ制御の場合の方が電気ヒータ６のＯＮ／ＯＦＦ制御よりも消費電力が少ない。このとき、冷凍機５は、必要とする最大冷却能力よりも僅かに大きい冷却能力で運転しているので、過剰な電力消費を行っている。
【００３４】
以上、説明したように本実施形態によれば、走査電子顕微鏡等の科学機器４に使用される冷却水循環装置１において、科学機器４に供給される循環水（冷却水）３の温度変動幅（要求温度精度）が運転中に高精度から低精度に変化した場合に、温度変動幅に適した簡便な温度制御方式に切り替わるため、常に高い消費電力が要求される高精度に管理された循環水３を供給せずに済むようになり、無駄な電力を消費しない。言い換えれば、科学機器システムの省エネルギー（電力）対応設計を行うことができる。
【００３５】
（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、電気ヒータ６をＯＮ／ＯＦＦ制御したが、ＰＩＤ制御を用いて電流制御あるいはパルス幅制御を行うことにより温度変動幅の精度を上げることができる。
（２）前記実施形態は、走査電子顕微鏡に備えられている油拡散ポンプ１５と電子レンズ１４とを冷却したが、冷却設定温度が同一であり、温度変動幅が異なるものであれば、他の冷却機器を冷却することができる。
（３）前記実施形態は、循環水パイプ２２，２４から循環水３を分岐させて拡散ポンプ１５と電子レンズ１４に供給したが、拡散ポンプ１５と電子レンズ１４との何れか一方の冷却機器に循環水３を供給し、排出された循環水３を他の冷却機器に供給することもできる。
（４）前記実施形態は、金属の中に発熱体を封入した電気ヒータ６を用いて制御したが、赤外線ヒータ、電磁誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating）等を用いても高精度に温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態の冷却水循環装置、科学機器及び科学機器システムの構成図である。
【図２】科学機器及び冷却水循環装置の冷却水循環経路を説明するための図である。
【図３】水温制御系の回路構成図である。
【図４】ウィンドウコンパレータの動作を説明するための図である。
【図５】運転モードの選択と、その運転状態と、循環水温度との関係を示した図である。
【図６】冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御した場合と電気ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御した場合とで消費電力を比較するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 冷却水循環装置
２ 水槽
３ 循環水
４ 科学機器
５ 冷凍機
６ 電気ヒータ
７ 水温制御系
８ 圧送ポンプ
９ 循環水吐出口
１０ 循環水戻り口
１１ 高精度運転要求接点
１２ 低精度運転要求接点
１３ 温度測定子
１４ 電子レンズ
１５ 油拡散ポンプ
１６，５６，６２ コネクタ
２０ 科学機器システム
２２，２４ 循環水パイプ
４２，４４ リモート制御端子
５１ 熱交換パイプ
５２ モータ
５４ 冷却ポンプ
７２，７４ リレー接点
７５ バッファ
７６，７９ 反転アンプ
７７，７８ コンパレータ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 抵抗器
ＲＹ１，ＲＹ２ リレー
Ｖｒ 基準電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環水を冷却する冷凍機と、前記循環水を加熱するヒータとを備え、前記循環水が外部機器を冷却する冷却水循環装置であって、
前記ヒータをＯＦＦ状態にし、前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御して前記循環水を温度制御する第１の運転モードと、
前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記第１の運転モードよりも狭い温度変動幅で前記循環水を温度制御する第２の運転モードとを備えることを特徴とする冷却水循環装置。
【請求項２】
前記冷凍機は、機械的に駆動する冷却ポンプで冷却媒体を循環させるものであり、
前記ヒータは、電気的に加熱するものであり、
前記ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却水循環装置。
【請求項３】
前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとを外部からの切替信号により切り替えるリモート制御端子を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却水循環装置。
【請求項４】
循環水を用いて冷却される異なる冷却機器を備える科学機器であって、
前記循環水は、前記異なる冷却機器を兼用して冷却し、
前記循環水に許容される温度変動幅が大きな方の前記冷却機器が運転する第１の運転モードと、前記異なる冷却機器の双方が運転する第２の運転モードとを備えることを特徴とする科学機器。
【請求項５】
循環水を冷却する冷凍機と前記循環水を加熱するヒータとを備える冷却水循環装置と、前記循環水を用いて冷却される異なる冷却機器を備える科学機器とが接続される科学機器システムであって、
前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記ヒータをＯＦＦ状態にして、前記異なる冷却機器の何れかが運転する第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記循環水の精密温度制御を行い、前記異なる冷却機器の双方が運転する第２の運転モードとを備えることを特徴とする科学機器システム。
【請求項１】
循環水を冷却する冷凍機と、前記循環水を加熱するヒータとを備え、前記循環水が外部機器を冷却する冷却水循環装置であって、
前記ヒータをＯＦＦ状態にし、前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御して前記循環水を温度制御する第１の運転モードと、
前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記第１の運転モードよりも狭い温度変動幅で前記循環水を温度制御する第２の運転モードとを備えることを特徴とする冷却水循環装置。
【請求項２】
前記冷凍機は、機械的に駆動する冷却ポンプで冷却媒体を循環させるものであり、
前記ヒータは、電気的に加熱するものであり、
前記ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却水循環装置。
【請求項３】
前記第１の運転モードと前記第２の運転モードとを外部からの切替信号により切り替えるリモート制御端子を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却水循環装置。
【請求項４】
循環水を用いて冷却される異なる冷却機器を備える科学機器であって、
前記循環水は、前記異なる冷却機器を兼用して冷却し、
前記循環水に許容される温度変動幅が大きな方の前記冷却機器が運転する第１の運転モードと、前記異なる冷却機器の双方が運転する第２の運転モードとを備えることを特徴とする科学機器。
【請求項５】
循環水を冷却する冷凍機と前記循環水を加熱するヒータとを備える冷却水循環装置と、前記循環水を用いて冷却される異なる冷却機器を備える科学機器とが接続される科学機器システムであって、
前記冷凍機をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記ヒータをＯＦＦ状態にして、前記異なる冷却機器の何れかが運転する第１の運転モードと、前記冷凍機をＯＮ状態にし、前記ヒータを用いて前記循環水の精密温度制御を行い、前記異なる冷却機器の双方が運転する第２の運転モードとを備えることを特徴とする科学機器システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−４０６３１（Ｐ２００７−４０６３１Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２６５０５（Ｐ２００５−２２６５０５）
【出願日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]