一定速度で冷却する方法

質問

恒温槽と冷媒を用いて容器に入れた液体サンプルを冷却する実験をしようと試みております。
今液体サンプルの冷却方法が及ぼす影響を見ておりまして、一定時間内の温度変化（＝冷却速度）を一定にする方法を探しております。
現状の装置だけですと急に温度が下がった後ゆっくり温度が下がる様な感じになってしまう状況です。
何か簡単に温度を制御できる方法はないでしょうか？
出来れば安価で簡単に入手できるものであると助かります。

回答No.5

Meowth

温度センサー　熱電対
変換装置
普通手持ちのデータロッガーで代用
コンピュータ、
制御出力装置、
冷却装置
をそろえればできますけどね。

回答No.4

usokoku

一日くらいかけて温度を変化させるということで
ほぼ平衡状態になっている。平衡状態を維持する。
という方針で考えます。

＞室温から－10℃くらいまでの冷却を数時間
ということで、温度差が35度を２４字間で冷却、1.5度/時間の割合で下げる。
この「１．５度」の温度差を検出する機械を持っていますか。
感度0.1度では、変動が激しくてどうしょうもないでしょう。

０．１度で良いのであれば、熱電ついでもなんでもあります。
今の季節の実験室ですと、暖房を入れて２０－３０度、切って１０度ぐらいでし様。すると、温度差が20度から40度ですから、よほど断熱に注意しないと、外気温の変動で、暴走します。
つまり、大きな積分因子をかませて、これに測定対象を接続することで温度を維持するという方向になります。
価格有線ということで、試料を金魚鉢(DIY店で1000-2000円)の中に入れて、外側に大きな金魚鉢(5000-10000円)をおき、内部の金魚鉢内の温度がほぼ一定になる様に、ハッポウスチロールの板を置く。外側の金魚鉢は十分断熱してください。
外側の金魚鉢に次の部品をつけます。
1.加熱用水道水の入るゴム管。ポリタンク(http://www.jin.ne.jp/e-create/usui-top.htm, 他。2-5万円)を2つ置いて、重力式が低価格です。５－１０万円を循環ポンプ(http://kadenfan.hitachi.co.jp/hitachi_lineup/lineup/08/080104.html　、他)代に払っても良いのであれば、1つのポリタンクで水を循環させてください。温度を一定にする必要があるのでほぼ価格が同じならば大きな水槽を洗濯してください。
2.冷凍機。適当に放熱に合わせて必要な熱量のものを。－１０度に座けられる様なので、こちらが転用できるかもしれません(詳細は伝達関数を解いて安定域にあるかどうかにかかっています。)。初期投資を押さえるのであれば、ナス型フラスコを外側の金魚蜂に入れて、上部にアリン冷却きをつけて、アフピレーターで引く方法があります。沸点の関係でエチルエーテルしか適当な媒体がないので、大量にはできません(エチルエーテルの消防法指定数量が50リットルであるため)。
3.-10度ですから、ガソリンスタンドで「自動車用不凍液」を購入してください。外の金魚蜂の中に入れます。－２０度くらいまで冷やす能力がないと、制御がうまくいかないでしょう。
4.レンガ。中の金魚蜂が浮力で持ちあがってしまいますので、錘に使います。

5.温度計。出きれば自記式のもの。なければ、ストップウォッチ。
自動制御の本。伝達関数を上記金魚蜂について立ててください。温度変化(スポット応答が楽)を測定するために、ストップウォッチが必要です。
ナイキストでもボードでも何でも良いですから線を引いて、安定域にあるかどうかを検査。だめだったらば、加熱用水道水の温度を上げる(30度にするとか)、水量を増やす、加熱用水道水を不凍液に交換して、ゴム管を金魚蜂の中に放り込む、金魚鉢のだんねつを徹底的にする、、、等で安定域にします。

＞温度制御を自動化（＆記録）する方法を模索
状態関数、とか、伝達関数とか、の自動制御はわかりますね。
金をかけて良いのであれば、外側の金魚鉢+水道水タンクの内容を1つの機械にしたもの「循環水槽」が販売されていますので、「温度を一定の速度で変化できる水槽がほしい」と言って、取引先の理化学機材メーカーに相談してください。30-100万円ぐらいになると思います。自作するよりは、確実に楽です。

回答No.3

usokoku

伝熱奉呈しき
Q = K(δT)
でわかるかしら。δTを制御するか、Kを制御するか。

サンプルに対する要求にょって他の条件が変化するのでこれ以上の内容は私には無理。

お礼

ご返答いただきありがとうございました。
PCなどを用いて自動制御するというのはやはり個人レベルでは難しいものなんでしょうか。
質問の内容が不十分と感じましたので、最初の回答欄に内容を補足しました。時間があれご確認下さい。

回答No.2

Meowth

まともにやるなら、温度測定をしてアクティブ制御
それでも冷凍機がインバータでないと内部温度は
どたばたするが。
PID制御で想定温度効果を実現する。
周りに断熱材をつけて緩衝材にすると、変動は減るが、アクティブ制御すると、応答性が悪くなるので、兼ね合いが難しい。
（その辺がノウハウ）

補足

ご返答いただきありがとうございました。

温度測定のアクティブ制御というのは具体的にどういう装置を入手すればできますか。個人レベルで入手できるものでしょうか？

あと質問の内容が不十分と感じましたので、最初の回答欄に内容を補足しました。時間があれご確認下さい。

回答No.1

foobar

実験する温度範囲などにもよりますが、

現状
サンプルと冷却器（？）の温度差が、冷却開始時点では大きいため急速に冷却され、冷えていくにつれて温度差が無くなって冷却速度が落ちているように思います。

1. サンプルの周辺を断熱性のもので覆い、周辺を目標温度より低い状態にする。冷却速度は断熱材（？）の厚みで制御する
こ、サンプル冷却によるサンプルと冷却器間の温度差変化を抑えて、冷却速度を一定に近づけることができるかと思います。（ただし、冷却速度を同じにするためには、断熱材をはさむ分より強い冷却が必要になります。また、サンプルに相変化が起きるような場合には、そこで温度変化の様相が変わります）

2. サンプルの温度を計りながら、冷却器の能力を変えていく。
できればこういう手法の方が良いかと思います。
温度範囲、サンプルの熱容量にもよりますが、最近割と出ているペルチェ素子を使えば、比較的楽に構築できるように思います。

補足

ご返答いただきありがとうございました。
ペルチェ素子を使う方法は電力で温度が簡単に制御できて期待できそうですね。

質問の内容が不十分と感じましたので補足いたします。
これまで室温から－10℃くらいまでの冷却を数時間で行う実験はやってきたところで、次の段階として冷却時間を１日間（またはそれ以上）かけて温度を徐々に下げるようなことをやりたいと思っております。
人間の手で温度制御するのには限界があるので、温度制御を自動化（＆記録）する方法を模索しております。できればパソコンなどを使ってやる方法があれば好ましいのですが、制御系のハードウェアについて疎いものですから何か便利なものはないかと思い質問させていただきました。
例えばパソコンで温度記録できる簡易装置としてDr.DAQ（http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?p=1&q=Dr.DAQ）
みたいなものがないかということになります。
伝熱工学関連については自分である程度勉強したのですが、温度検出→PC→冷却装置までのハードウェア、ソフトウェアまでの知識が乏しいので皆様のお知恵を拝借できたらと思います。