JP2007003107A - 局所空間を精密に温度制御するための空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】作業空間や作業対象を囲う空間の空気調和機の温度制御を精密に行う空調システムを得る。
【解決手段】空調機にて精密に温度調整をして精密温度エリアに空気を送るための、加熱，冷却等の機器及び空気供給ダクトを、２層構造とする内側に配置し、前記内側に配置した機器の外側を戻り空気を空調機に戻す空調機への戻りダクトとした。また、精密温度エリアに空調空気を吹き出す、空調空気の供給路の最下流部位を囲ってリターンダクトを設け、該部位を戻り空気を空調機に戻すリターンダクトの起点とした。そして、加熱もしくは冷却制御された空気を要求温度精度に応じて１つ又は直列に多段に配した温度変動吸収ユニットに通過させることで供給空気内の空間温度分布を斉一にし、高精度制御を可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、周囲環境の温度変動に影響を受けやすい、作業対象物質等に対して使用する局所空間を精密に温度制御するための空調システムに関する。

作業空間や対象物質等を囲う空間の温度変動を減らすためには室内全体を空調する方式が一般的で、一般空調レベル１８℃乃至２７℃の範囲で±１℃乃至±３℃の範囲の制御は可能である。然し、更に温度変動幅を少なくし変動幅を０．１℃乃至０．０１℃以上精密に制御するには、式（１）
Ｑ≧ｑ÷1.2 ÷0.24÷|ｔ| ・・・ 式（１）
|ｔ|≧ｑ÷Ｑ÷1.2 ÷0.24 ・・・ 式（２）
Ｑ ：空調機の必要風量 （ｍ³／Ｈ）
ｑ ：熱負荷の合計 （Kcal／Ｈ）
1.2 ：空気の比重（２０℃時） （kg／ｍ³）
0.24：空気の比熱 （Kcal／kg・℃）
ｔ ：温度精度 （℃）
によって送風量を１０乃至１００倍以上にしなければならない。従って、風量に比例して空調機寸法が大きくなり、設備費用が増加し、かつ、エネルギーコストも増加する。
そのため、部屋全体を一次空調とし温度変動を安定させ、必要部分のみ壁体で囲って二次空調として局所的に高精度に温度制御された空気を送風する方法が採用されている（特許文献１参照）。

その１つの例を図３で説明する。
断熱パネルで構成された部屋１全体を一次空調エリア２とし、冷凍機３，冷却コイル４，ヒーター５，ファン６等を有する一次空調機７を室１の外部（内部でも可）に設置し、一次空調機７の空調空気を供給ダクト８で室１の吹出部９から一次空調エリア２内に吹き出している。一次空調エリア２内には必要な部分のみ保温材等よりなる壁体１０で囲って精密空調エリア（二次空調エリア）１１としている。

精密空調エリア１１には、一次空調エリア２から導入した空気を所定の温度とするための冷凍機１２，冷却コイル１３，１次及び２次のヒーター１４，送風機１５等を有する二次空調機１６が設けられ、二次空調機１６の空調空気をダクト１７で導きヘパフィルター１８を介して精密空調エリア１１に吹き出すことによって精密に温度制御をしている。然し、ダクト１７内の空調空気は、二次空調機１６の壁体１０が保温材，断熱材として熱を通りにくくしても通過熱量を０とすることは出来ず、一次空調エリア２の影響を受けることになる。

例えば、一次空調エリア２の温度変動が２℃発生（２３℃から２５℃）、供給ダクト表面積６ｍ²、供給ダクト内温度（精密温度エリア所定温度）２３℃、熱貫流率０．４２（クリーンルームで使用される断熱パネル）、精密温度エリアの処理風量５０ｍ³／ｍｉｎとすると、一次空調エリア２からダクト１７に伝熱する熱量は、式（３）により
Ｑ＝Ｋ（ｔ１ −ｔ２ ）Ａ ・・・ （３）
Ｑ ：伝熱量 （Kcal／ｈ）
Ｋ ：熱貫流率 （Kcal／ｍ²・ｈ・℃）
ｔ１ ，ｔ２ ：両側の流体温度
Ａ ：壁面の表面積 （ｍ²）
Ｑ＝０．４２×（２５−２３）×６＝５．０４Kcal／ｈ
となり、伝熱する熱量により供給ダクト１７内の空気の温度変化は式（２）により
ｔ≧５．０４÷５０÷６０÷１．２＝０．００５８℃
となる。一般的にはこの程度の温度変化があっても特に問題はないが、精密電子加工の分野では現在０．０１℃乃至０．０００１℃の温度変化が問題になっている。

然し、二次空調機を用いる方式においても、温度精度を±０．０１℃以上精密に制御する場合には、式（２）の如く、熱負荷の合計ｑを小さくするために一次空調精度を必要な温度精度付近まで制御するか、二次空調機の風量を増加させる必要があり、結果的に空調機寸法，エネルギーコスト，設備費用が大きくなる欠点があった。
特開２００４−１８４０１０号公報

本発明は上記の点に鑑みて、作業空間や作業対象を囲う空間の空気調和機の温度制御を精密に行う空調システムを得ることを目的とする。

請求項１記載の発明にあっては、空調機にて精密に温度調整をして精密温度エリアに空調空気を送るための、加熱，冷却等の機器及び空気供給ダクトを、２層構造とする内側に配置し、前記内側に配置した機器の外側を精密温度エリアからの戻り空気を空調機に戻す空調機への戻りダクトとしたことを特徴とする。
請求項２記載の発明にあっては、精密温度エリアに空調空気を吹き出す、空調空気の供給路の最下流部位を囲ってリターンダクトを設けたことを特徴とする。
請求項３記載の発明にあっては、加熱もしくは冷却制御された空気を１基又は直列に多段に配した複数基の吸収ユニットに通過させることで供給空気内の空間温度分布を斉一にし、高精度制御を可能とした。

本発明にあっては、作業対象物を囲う処理空間である精密温度エリアが、作業対象物を収容する筐体及び筐体の周囲を囲うリターン空気によって、２重に断熱されている。リターン空気は、処理空間から流出した空気であり、その温度等は処理空間の温度に極めて近い温度のものである。それにより筐体の処理空間の空気はほぼ所定の目的温度で囲われていると同効であり、かつ、筐体の断熱効果をも得て２重に断熱されることになり、過剰な断熱処理を行なわずとも高精度な温度制御が可能にになる。
また、前記した理由により流動空気の量が少なくても高精度な温度制御が可能で、風量が少ないことにより空調機寸法、エネルギーコスト、設備費用等を少なくすることが出来る。

本発明を実施する最良の形態を図面と共に次に説明する。
図１は、本発明空調システム２０の概略縦断側面図である。本発明空調システム２０は筐体２１で構成される精密温度エリア２２と空調機２３とが、温調空気の供給ダクト２４をリターンダクト２５で囲ったダクト２６で接続されている。精密温度エリア２２はその背面部に設けられている整流ボックス２７との間にヘパフィルター２８等の整流用部材を有している。精密温度エリア２２の形状は必ずしも一定ではなく、温度を精密に制御したい領域に、制御し安定性化させた空気を送り込み、該領域をリターン空気で囲うようにしたのが基本コンセプトである。そして、筐体２１、供給ダクト２４の周囲を戻り空気ダクトケース２５ａで囲い、戻りダクトケース２５ａは前記リターンダクト２５に接続されている。戻りダクトケース２５ａが設置できない場合、フレキシブルダクトで代用することも出来る。この場合、精密温度エリア２２及び整流ボックス２７の周囲を断熱材２９で囲み温度，精度，風量に見合った断熱処理を行う。

精密温度エリア２２の前面には戻りダクトケース２５ａの吸引開口部３０が設けられ、また、筐体２１の前面扉３１の部分は精密温度エリア２２の陽圧分の排気が可能となっている。ダクトケース２５ａは、前記の如く精密温度エリア２２、即ち、筐体２１及び整流ボックス２７を囲い、整流ボックス２７と供給ダクト２４の接合部位の周囲をも囲っている。この為に精密温度エリア２２から戻された安定温度の戻り空気によって、供給ダクト２４の終端の供給空気は囲まれる事になり、周囲環境からの影響がより少ないことに加えリターン空気により供給空気温度が安定する効果を望める。リターンダクト２５は、前記精密エリア２２及び整流ボックス２７の外周をジャケットの如く囲うと共に、整流ボックス２７に開口した供給ダクト２４の外周をも囲っている。

空調機２３は供給ダクト２４に連なる送風機３２，冷却コイル３３，加熱コイル３４，温度変動吸収ユニット３５等を有し、その外側をジャケット状に囲うリターンダクト２５で被われている。リターンダクト２５には外気取入口３６が設けられている。図示の例では送風機３２の排出口側に連なる供給ダクト２４に冷却コイル３３，加熱コイル３４を列設し、続くダクト２４ａ内に、温度変動吸収ユニット３５をダクト２４ａの流れの上流側から複数（図示の例では３基３５ａ，３５ｂ，３５ｃ）直列に収容している。温度変動吸収ユニット３５は温度変動吸収ユニット３５の一次側の温度が変動した場合に、その変動の平均温度に出側の温度を安定させるためである。その概略を図２により説明する。

供給ダクト２４ａに設けられた温度変動吸収ユニット３５は、供給ダクト２４ａを横切って電気ヒーター３５１が設けられている。電気ヒーター３５１は、ニクロム線保護パイプ３５２を有し、ニクロム線保護パイプ３５２はコントローラ３５３を介して供給ダクト２４ａの所定位置に設けた温度センサー３５４に接続されている。前記ヒーター３５１は温度センサー３５４の検出値に基づきコントローラ３５３によりオンオフを繰り返し温度センサー３５４の部位を所定温度に保つようにする。このオンオフの回数は実際には１秒間に５０回以上で、高精度に温度を制御している。

然し、上記の熱交換にあってもニクロム線保護パイプ３５２の間近を通過する空気には熱が多く伝わるが離れた位置を通過する空気には熱が伝わりにくい。そのために空気の流れに交差する方向に温度むらが生じ、これが温度変動の主原因ともなっている。それを防止するため、本実施形では温度変動吸収ユニット３５を３基設けることにより温度差をなしているが、その他の温度変動を防止する手段として、熱容量の大きな物質（重量・比熱が大きい程良い）による吸収が考えられる。

そして、前記供給ダクト２４ａは、精密温度エリア２２に連なる供給ダクト２４に接続されている。空調機２３の冷却コイル３３，加熱コイル３４，温度変動吸収ユニット３５及びそれらを連ねている供給ダクト２４，２４ａの外周部分はリターンダクト２５を構成しリターンダクト２５の終端に接続して前記送風機３２の吸入口が設けられ、送風機３２の排気口は供給ダクト２４に接続されている。

次に、本発明装置の作用につき説明する。
送風機３２の回転につれ外気取入口３６から吸引された空気と共にリターンダクト２５の終端部から送風機３２に吸引された供給空気３７は、冷却コイル３３，加熱コイル３４により所定温度に調整され、かつ、複数の温度変動吸収ユニット３５により、更に精密に温度調整がなされている。即ち、その１例を示すと、図１において供給ダクト２４ａの最上流位置にある第１の温度変動吸収ユニット３５ａの入側の点（イ）において、気流の温度変動幅は０．０９９℃となっているが、第１の温度変動吸収ユニット３５ａ通過直後の点（ロ）では温度変動幅は０．０４５℃となり、第２の温度変動吸収ユニット３５ｂ通過直後の点（ハ）では温度変動幅は０．０１５℃となり、第３の温度変動吸収ユニット３５ｃ通過直後の点（ニ）では温度変動幅は０．００５℃となり、空調機２３から供給ダクト２４により整流ボックス２７を経て精密温度エリア２２に吹き出される。精密温度エリア２２からの戻り空気は吸引開口部３０，３０から戻りダクトケース２５ａに入りリターンダクト２５に流れ、リターンダクト２５内を送風機３２まで戻りこれを繰り返す。
上記戻りダクトケース２５ａは、精密温度エリア２２，整流ボックス２７の外周を囲ってジャケット状に設けられており、精密温度エリア２２から戻された安定温度の戻り空気によって、供給ダクト２４の終端の供給空気は囲まれる事になり、精密温度エリア２２に導入される空調空気は、リターン空気によって周囲環境の影響を受けない状態として精密温度エリア２２に送り込まれる。
また空調機２３でも供給ダクト２４の外側をリターンダクト２５が囲ってジャケット状に設けられているので、所定の温度を保たなければならない供給ダクトで送られる空気流の温度の変動をその外側から前記所定温度に近い温度で保護することになり、省電力かつ精密に温度制御を行うことが出来る。

本発明は、温度環境の設定に極めて厳しい、温度環境を精密に安定させることが必須の作業環境要件として必要とする業態に利用する。

本発明空調システムの概略正面図。 温度変動ユニットの構成説明図。 従来の空調システムの概略正面図。

符号の説明

１ 室
２ 一次空調エリア
３ 冷凍機
４ 冷却コイル
５ ヒーター
６ ファン
７ 一次空調機
８ 供給ダクト
９ 吹出口
１０ 壁体
１１ 精密空調エリア
１２ 冷凍機
１３ 冷却コイル
１４ ヒーター
１５ 送風機
１６ 二次空調機
１７ ダクト
１８ ヘパフィルター
２０ 空調システム
２１ 筐体
２２ 精密温度エリア
２３ 空調機
２４ 供給ダクト
２５ リターンダクト
２５ａ 戻りダクトケース
２６ ダクト
２７ 整流ボックス
２８ ヘパフィルター
２９ 断熱材
３０ 吸引開口部
３１ 扉
３２ 送風機
３３ 冷却コイル
３４ 加熱コイル
３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ 温度変動吸収ユニット
３６ 外気取入口
３７ 供給空気
３５１ 電気ヒーター
３５２ ニクロム線保護パイプ
３５３ コントローラー
３５４ 温度センサー

Claims (3)

1. 空調機にて精密に温度調整をして精密温度エリアに空調空気を送るための、加熱，冷却等の機器及び空気供給ダクトを、２層構造とする内側に配置し、前記内側に配置した機器の外側を精密温度エリアからの戻り空気を空調機に戻す空調機への戻りダクトとしたことを特徴とする局所空間を精密に温度制御するための空調システム。
2. 精密温度エリアに空調空気を吹き出す、空調空気の供給路の最下流部位を囲ってリターンダクトを設けたことを特徴とする請求項１記載の局所空間を精密に温度制御するための空調システム。
3. 加熱もしくは冷却制御された空気を、１基又は直列に多段に配した複数基の温度変動吸収ユニットに通過させることで供給空気内の空間温度分布を斉一にし、高精度制御を可能とした請求項１記載の局所空間を精密に温度制御するための空調システム。

Images