冷却やか熱設備の温度変化について

質問

お世話になっております
生産現場で使われる設備のなかで
冷却及び加熱設備のものがたくさんありますが、
私の経験で築いた場合には温度を上げるとか下げる時にもちろん物質や設備の種類により違うと考えますが、ほとんどものが設定温度(冷却及び加熱)まで達する過程の変化トレンドを見たら線形ではなくほとんどが非線形でした、他の人は実際でも線形だと意見を上げていますが、私の考えが問題でしょうか？
もちろん設備の目的や目標は線形で温度コントロールができればよいですが実際では非線形(推移線では線形にできるかも知れませんが)もしかしてわたしの意見ように温度変化が非線形ならば理由は何ですか？なお、線形ができるためには何が必要しますか？
そして理論的ではなく実際の産業現場であんな場合には温度変化の挙動は線形か非線形のか知りたいですが教えていただきませんか？
ぜひ宜しくお願いいたします。

回答No.6

lumiheart

熱計算
https://www.nippon-heater.co.jp/designmaterials/calculation/
熱の計算： 温度上昇計算
https://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/s01080.htm
熱の計算： 放熱
https://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/s01050.htm
とどのつまりは
温度とは加熱から放熱を引いた成り行きのバランスで決まる
成り行きなんで直線になるハズなど無い

＞線形ができるためには何が必要しますか？
ふんだんに余りあるご予算です　＜お金次第！
物理学でも技術論でもなく経済学でキマリ！

分かりやすい実例
ハンダゴテ　30W　希望小売価格 ¥1,760(税込)
https://www.goot.jp/products/detail/ca_30r
温調機能のハンダゴテでもこて先温度は概ね一定
概ね一定ではあるがぁ、外気温や風、ワークの有無（ハンダ付け対象物）
それら諸条件によって温度は不定となる

温調ハンダゴテ希望小売価格 ¥8,690(税込)
https://www.goot.jp/products/detail/px_280e
外気温その他諸条件が変わってもこて先温度は一定
但し、８０W　
2倍以上の消費電力と約5倍の価格

一番安価な温度制御はON/OFF制御
https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/53/103/index.html
但し、温度バラツキは大きい
それを改善したのがPID制御
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/2011/
ただ厳密にPID制御を実行するにはとってもお金がかかる
https://www.fa.omron.co.jp/product/special/temperature-controllers/application/app02/

更に精密な温度制御にはカスケード制御が使用させる
https://www.rkcinst.co.jp/technical_commentary/14294/
ただ普通の温度制御にカスケード制御は使わない
何故か？
コスト以外の理由は存在しない　＜莫大なお金が必須

回答No.5

kantaro1985

質問者様に、逆に聞きたいのですが・・・。

その温度制御している目的とは何でしょうね？

その温度変化の状況が、温度制御の目的に叶っているのであれば、線形なのか非線形なのかは関係ないし、論議する価値も無いと思うのですが。

大学の研究室なら、線形なのか非線形なのかの議論を続けてもいいのですが、現場では、現場の目的を達成出来ているかどうかが全てであって、線形か非線形かの議論に意味があるとは思えないです。

もし、こういう理由があって線形か非線形か、にこだわる必要があるのだというのがあるのであれば御提示願いたいですが。

回答No.4

lumiheart

>温度変化の挙動は線形か非線形の

温度変化が線形か非線形かは何の問題も無く
問題なのは温度設定との許容誤差以内？か否か？ダケです
溶解炉でも熱処理炉でも樹脂成型機でも熱間プレスでもなんら変わりはない
そして、設定温度は一定である

常温から昇温させる時、或いは高温から常温に降温させる時
急激に昇温或いは降温させてはならないって　＜炉体が温度変化に耐えれず壊れる

温調器に「ランプ機能」と言うのがあります
https://faq.fa.omron.co.jp/tech/s/article/faq05885
ランプ機能を有効に使って温度変化を直線にする

回答No.3

kon555

私の経験でも、実際の温度変化は非線形になりますね。
　実験担当なのであくまで実務ベースであって、理論面は不明ですが、例えば設備自体とか投入しているワークとか、それこそ空気なんかもそれぞれ比熱も熱伝導率も違うわけです。
　また熱漏れも設備次第でバラバラなわけですから、そのあたりが複合的に絡むと非線形の温度変化になるのだと思います。

回答No.2

4500rpm

温調機器はPID制御されているものが多いと思いますが、質問者さんのお使いになっている機器はどうなんでしょうか。
PID制御だと設定温度に近づくに従って、バルブ開度を変えたり、通電時間・電圧を変えたりして、オーバーシュートしないようにコントロールします。
上手くPIDが設定されていると、最速で加熱して設定温度に近づくにしたがって加熱速度が下がってきます。
なので、設定温度に近づくにしたがってなだらかな曲線を描きます。ただし、加熱途中は線形または線形に近い形と思います。
https://www.motoyama.co.jp/engineer/engi106.htm
https://ja.wikipedia.org/wiki/PID%E5%88%B6%E5%BE%A1
違う現象のことなら、すみません。

回答No.1

ohkawa3

理論的な解析をしたい学者先生ならば、線形と非線形を峻別したい動機があると思いますが、生産現場の実務上であれば、線形と非線形の微妙な差異を追究しても得られることは少ないと思います。

熱伝達に関する物理現象は、完全に線形な挙動をすることは稀でであって、大なり小なり非線形な挙動をすると思います。
非線形として扱うと解析が難しくなるので、誤差が許容される範囲で線形と仮定して、実用性を重視した解析を行っていると理解なさったら如何でしょうか。

ご質問の主旨から外れるかもしれませんが、解析したいシステムの構成、温度範囲、許容してもよい誤差を明確にすれば、どのようなシステムでも線形の挙動をするとして解析しても問題ないと思います。
とはいっても、動作の範囲にon/offを含むような場合は、線形として扱うことが不適切な場合もありますので、一概に線形として扱って構わないと言い切れない場合もあります。