DE69712488T2

DE69712488T2 - Vorrichtung zur behandlung einer aufbereiteten luft mit direkter verdampfungsentfeuchtung

Info

Publication number: DE69712488T2
Application number: DE69712488T
Authority: DE
Inventors: David Gurock; Wilmar Kohne; Michael O'halloran
Original assignee: York International Corp; CH2M Hill Industrial Design Corp
Current assignee: York International Corp; CH2M Hill Industrial Design Corp
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: US5992161A; ES2173470T3; WO1998002694A1; TW340176B; EP0912865A1; EP0912865B1; JP2000514913A; AU3970597A; DE69712488D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ausgleichsluft-System, das Temperatur und Feuchtigkeit und/oder die Reinheit von Ausgleichsluft kontrolliert, und insbesondere Reinraum-Ausgleichsluft- Systeme.

Hintergrund der Erfindung

Viele Anlagen oder Einrichtungen, wie Halbleiter-Reinräume, bedürfen üblicherweise einer Einspeisung beträchtlicher Mengen von äußerer Ausgleichsluft in die Anlage oder Einrichtung, um den Verbrauch und den Verlust von Prozeßluft zu kompensieren oder den Norm- Anforderungen nachzukommen. Bei derartigen Einrichtungen ist es häufig notwendig, daß die relative Feuchtigkeit der Luft innerhalb eines Gebäudes auf einen vorgewählten Sollwert geregelt wird. Eine Vorrichtung zum Behandeln von Luft gibt behandelte Außenluft ab, die für den Einsatz innerhalb der Anlage unter den Bedingungen notwendig ist, deren Kontrolle innerhalb der Anlage aufrechterhalten werden soll. Dafür ist normalerweise eine Temperatur-, Feuchtigkeits- und Kontaminations-Regelung nötig. Von den klimatischen Bedingungen der Außenluft abhängig, wird üblicherweise die Ausgleichsluft durch Abkühlen entfeuchtet, um ihr die unerwünschte Feuchtigkeit zu entziehen. Es kann eine Luftfilterung vorgesehen sein, wenn Reinheit der Innenumgebung notwendig ist; ein herkömmliches System für eine Feuchtigkeitsregelung ist in Fig. 1 dargestellt.

Abriß der Erfindung

Bei der Erfindung regelt eine Vorrichtung zum Behandeln Luft die Temperatur und Feuchtigkeit in dem Ausgleichsluftstrom mit einem Direktexpansions-Kühler, der in den Betrieb des Luftaufbereiters integriert ist. Das Direktexpansions-Kühlsystem umfaßt: eine Kompressoreinheit, eine Luftstrom-Kühlschlange, ein Expansionsventil und eine Luftstrom- Heizschlange. Die Luftstrom-Kühlschlange führt Wärme aus dem Luftstrom ab und erwärmt das Arbeitsfluid des Direktexpansions-Kühlsystems, wodurch die Funktion einer Sekundärkühlschlange bei einem herkömmlichen System ersetzt wird. Die Luftstrom-Heizschlange überführt Wärme aus dem Direktexpansions-Kühlsystem zurück in den Luftstrom, wodurch die Funktion der Heizschlange teilweise ersetzt wird. Da Luftreinigungsfunktionen erwünscht sind, wird das System so betrieben, daß kondensierbare und wasserlösliche Verunreinigungen aus dem Luftstrom entfernt werden. Diese Feuchtigkeit wird durch einen herkömmlichen Befeuchter zugeführt. Das Direktexpansions-Kühlsystem kann derart betrieben werden, daß die relative Luftfeuchtigkeit des Luftstroms, der die Luftstrom-Heizschlange des Direktexpansions-Kühlsystems verläßt, klein genug ist, um Verunreinigungen zur Bildung von Partikeln zu erzeugen, die durch einen Filter zu entfernen sind.
Eine Reinraum-Einrichtung umfaßt eine derartige Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Luft, um die Temperatur sowie die Feuchtigkeit der Ausgleichsluft und die zusätzliche Funktion des Entfernens einer Verunreinigung aus dem Ausgleichsluftstrom zu kontrollieren. Die Reinraum-Einrichtung umfaßt auch einen Reinraum, der an die Direktexpansions- Einheit zum Aufnehmen von Ausgleichsluft angeschlossen ist. Bei einer derartigen Einrichtung könnte die Vorrichtung zum Behandeln von Luft zu 100% Außenluft oder eine Mischung aus Außenluft und rezirkulierter Luft nutzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Luft kühlt effizienter und reduziert die Größe und Kosten der Kühlanlage, der zugehörigen Leitungsinstallation und der elektrischen Systeme für eine gegebene Anlagengröße. Die Vorrichtung zum Behandeln von Luft gewährleistet eine genaue Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Luft umfaßt das Direktexpansions-System, das innerhalb der Vorrichtung zum Behandeln von Luft eingebaut ist, um dadurch die Notwendigkeit eines Sekundärkühlers, einer zugeordneten Leitungsinstallation und einer an einer entfernten Anlage vorzunehmenden Kontrolle zu beseitigen.
Eine Entfeuchtung ist häufig während des Baus einer Anlage vorteilhaft. Da der Direktexpansions-Kühler ein Teil der Vorrichtung zum Behandeln von Luft ist, gewährleistet der Direktexpansions-Kühler ein wirtschaftlicheres Entfeuchten zu einem frühen Zeitpunkt bei der Herstellung der Anlage. Das Direktexpansions-Kühlsystem entzieht dem Luftstrom Feuchtigkeit, der Verunreinigungen enthalten kann, und vermittelt dem Luftstrom ferner die geeignete relative Feuchtigkeit, um Verunreinigungen mittels Filtration zu entfernen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und andere detailliertere und spezielle Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden ausführlicher in der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen offenbart, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Vorrichtung zum Behandeln von Ausgleichsluft darstellt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das eine erfindungsgemäße Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Ausgleichsluft darstellt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das eine Reinraum-Einrichtung darstellt, welche die Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Ausgleichsluft gemäß Fig. 2 verwendet;
Fig. 4 ein Luftfeuchtigkeitsdiagramm, das einen beispielhaften Temperaturverlauf der Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Ausgleichsluft gemäß Fig. 2 darstellt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine herkömmliche Vorrichtung 100 zum Behandeln von Ausgleichsluft darstellt, die eine Vorheizschlange 102, einen Befeuchter 104, eine Primärkühlschlange 106, eine Sekundärkühlschlange 108, eine Heizschlange 110 und ein Filter 112 umfaßt. Die Vorheizschlange 102 erwärmt die einströmende Luft, wenn die Luft kälter als eine vorbestimmte Temperatur ist. Die Vorheizschlange 102 ist von herkömmlicher Bauart. Der Befeuchter 104 befeuchtete die Luft, wenn die Luft trockener als eine vorbestimmte Feuchttemperatur ist. Der Befeuchter 104 ist von herkömmlicher Bauart. Die Primärkühlschlange 106 kühlt die einströmende, warme feuchte Luft auf eine voreingestellte Temperatur ab. Die einströmende Luft hat üblicherweise wegen der saisonalen Schwankungen eine große Temperaturspanne. Diese Kühlung wird durchgeführt, wenn die Umgebungslufttemperatur wärmer als die voreingestellte Temperatur ist. Die Primärkühlschlange 106 umfaßt eine Serie von Schlangen, in denen gekühltes Wasser von einer entfernten Versorgungsanlage (nicht dargestellt) genutzt wird.
Die Sekundärkühlschlange 108 kühlt außerdem die Luft auf eine Soll-Taupunkttemperatur ab, die einer gewünschten Feuchtigkeit zugeordnet ist. Die Sekundärkühlschlange 108 hat üblicherweise eine Quelle kälteren gekühlten Wassers oder ein Glykolgemisch. Ein Glykolgemisch ermöglicht, daß die Taupunkttemperatur nahe der Gefriertemperatur liegt. Die Sekundärkühlschlange 108 niedrigerer Temperatur hat üblicherweise Kühler an einer entfernten Station (nicht dargestellt) mit der dazugehörigen Leitungsinstallation zur Vorrichtung 100 zum Behandeln von Ausgleichsluft. Die Primärkühlschlange 106 und die Sekundärkühlschlange 108 sind herkömmliche Schlangen, die zugehörige Kühler (nicht dargestellt) haben, die Wärme an die äußere Umgebung abgeben. Die Heizschlange 110 erwärmt die Luft erneut auf die gewünschte Lufttemperatur, um sie einer Anlage zuzuführen. Die Heizschlange 110 erhält üblicherweise Wärme von einer entfernten Heizeinrichtung (nicht dargestellt). Die herkömmliche Vorrichtung 100 zum Behandeln von Ausgleichsluft beseitigt Verunreinigungen in der Luft durch herkömmliches Waschen mit Wasser (nicht dargestellt) oder Filtration mittels des Filters 112.
In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine Direktexpansions-Vorrichtung 200 zum Behandeln von Luft gemäß der Erfindung darstellt. In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine Reinraum-Einrichtung 300 darstellt, welche die Direktexpansions-Vorrichtung 200 verwendet. Die Reinraum-Einrichtung 300 umfaßt eine Direktexpansions-Vorrichtung 200 und einen Reinraum 306. Die Direktexpansions-Vorrichtung 200 zum Behandeln von Ausgleichsluft liefert Ausgleichsluft in den Reinraum 306 und regelt die Temperatur und die Feuchtigkeit der Ausgleichsluft.
Die Direktexpansions-Vorrichtung 200 umfaßt eine Vorheizschlange 202, einen Befeuchter 204, eine Primärkühlschlange 206, ein Direktexpansions-Kühlsystem 208 und ein Filter 218. Die Vorheizschlange 202 erwärmt die einströmende Ausgleichsluft, wenn die Ausgleichsluft kälter als eine vorbestimmte Temperatur ist. Die Vorheizschlange 202 kann beispielsweise von herkömmlicher Bauart sein. Der Befeuchter 204 befeuchtet die Ausgleichsluft, wenn die Luft trockener als eine vorbestimmte Feuchttemperatur ist. Der Befeuchter 204 kann beispielsweise von herkömmlicher Bauart sein. Die Primärkühlschlange 206 kühlt die einströmende Luft auf eine voreingestellte Temperatur ab. Die Primärkühlschlange 206 kann beispielsweise von herkömmlicher Bauart sein, deren Funktion ähnlich derjenigen der Primärkühlschlange 106 ist. Die Primärkühlschlange 206 kann beispielsweise eine Serie von Schlangen umfassen, in denen von einer entfernten Kühlanlage (nicht dargestellt) gekühltes Wasser genutzt wird.
Das Direktexpansions-Kühlsystem 208 umfaßt eine Luftstrom-Kühlschlange 210, eine Luftstrom-Heizschlange 212, einen Kompressor 214 und ein Expansionsventil 216. Das Direktexpansions-Kühlsystem 208 entfeuchtet die Ausgleichsluft durch Absenken der Lufttemperatur auf eine Soll-Taupunkttemperatur, die einer gewünschten Feuchtigkeit zugeordnet ist. Der Kompressor 214 komprimiert und zirkuliert ein Arbeitskühlfluid durch die Schlangen 210 und 212. Die Luftstrom-Kühlschlange 210 senkt die Temperatur auf eine Solltemperatur, was eine Kondensation und Entfeuchtung des Luftstroms zur Folge hat. Während des Prozesses wird Energie auf das Kühlfluid übertragen. Die Heizschlange 212 erwärmt den Luftstrom erneut auf eine zweite Solltemperatur, indem Wärme vom Kühlfluid auf die Ausgleichsluft übertragen wird, wodurch das Kühlfluid abgekühlt wird. Das Expansionsventil 216 kontrolliert die Srömung des Kühlfluids durch die beiden Schlangen 210 und 212. Die Luft kann von dem Reinraum 306 zur Direktexpansions-Vorrichtung 200 rezirkulieren.
Die Primärkühlschlange 206 und das Direktexpansions-Kühlsystem 208 werden derart betrieben, daß die relative Feuchtigkeit des Luftstroms auf eine relative Feuchtigkeit abgesenkt wird, bei der Verunreinigungen Partikel bilden, die durch den Filter 218 entfernbar sind.
Anhand Fig. 4 ist ein Feuchtigkeitsdiagramm gezeigt, das einen beispielhaften Temperaturverlauf der Direktexpansions-Vorrichtung 200 zum Behandeln von Ausgleichsluft darstellt. Die horizontale Achse 400 stellt die Trockentemperatur dar. Die vertikale Achse 401 stellt die Feuchttemperatur dar. Die Punkte 402, 404, 406, 408 und 410 repräsentieren verschiedene thermodynamische Zustände der Ausgleichsluft während des thermischen Kreislaufs der Direktexpansions-Vorrichtung 200. Der Punkt 402 stellt die Eingangsbedingung der Ausgleichsluft für die Direktexpansions-Vorrichtung 200 dar. Der Punkt 410 stellt die Zielbedingung der Abgabeausgleichsluft von der Direktexpansions-Vorrichtung 200 dar. Die Kurven 412-1, 412-2 und 412-3 geben Verläufe von konstanter relativer Feuchtigkeit an. Die Kurve 412-1 repräsentiert eine 100%-ige relative Feuchtigkeit. Die Kurve 412-2 repräsentiert die relative Feuchtigkeit der Einlaßluft in die Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Ausgleichsluft. Die Kurve 412-3 repräsentiert die relative Sollfeuchtigkeit am Auslaß der Direktexpansions-Vorrichtung 200.
Die Temperatur und Feuchtigkeit der in die Primärkühlschlange 206 gelangenden Luft liegen am Punkt 402. Die Primärkühlschlange 206 kühlt die Ausgleichsluft ab, ohne Feuchtigkeit zu entziehen, bis die Ausgleichsluft die Temperatur und Feuchtigkeit des Punkts 404 erreicht. Die Primärkühlschlange 206 kühlt dann die Ausgleichsluft weiter ab. Jedoch entzieht sie der Ausgleichsluft auch Feuchtigkeit. In diesem Stadium verläuft die Temperatur längs der Kurve 412-1 einer konstanten 100%-igen relativen Feuchtigkeit, bis der Punkt 406 erreicht wird. Die Luft bewegt sich zur Luftstrom-Kühlschlange 210 der Direktexpansions-Einheit 208, welche die Ausgleichsluft abkühlt und Feuchtigkeit der Luft längs der Linie 412-1 einer konstanten 100%-igen relativen Luftfeuchtigkeit entzieht, bis der Punkt 408 erreicht ist, an dem die Verdunstungstemperatur gleich der Sollfeuchttemperatur 410 ist. Die Luftstrom- Heizschlange 212 erwärmt dann die Ausgleichsluft, bis die Luft den Sollpunkt 410 erreicht. Die Direktexpansions-Vorrichtung 200 zum Behandeln von Luft stellt Luft für den Reinraum 306 bei der gewünschten Temperatur und Feuchtigkeit bereit, indem die von dem Kühlkreislauf abgegebene Wärme verwendet wird, um die Luft erneut zu erwärmen.
Die obige Beschreibung soll den Betrieb der bevorzugten Ausführungen illustrieren und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken. Der Schutzumfang der Erfindung wird nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Direktexpansions-Vorrichtung zum Behandeln von Luft, die in einer Reinraum- Einrichtung eingesetzt wird, zum Kontrollieren der Temperatur und Feuchtigkeit von Ausgleichsluft, wobei die Vorrichtung zum Behandeln von Luft umfaßt:

- eine Primärkühlschlange (206) zum Abkühlen der Ausgleichsluft auf eine erste Temperatur;

- einen Befeuchter (204), um der Ausgleichsluft Feuchtigkeit zuzuführen; und

- ein Direktexpansions-Kühlystem (208) zum Entfeuchten und Wiedererwärmen von Ausgleichsluft auf Solltemperatur und -feuchtigkeit, wobei das Kühlsystem eine Luftstrom-Kühlschlange (210) zum Abkühlen der Luft auf eine zweite Temperatur und zum Verringern der Feuchtigkeit der Luft auf die Sollfeuchtigkeit und eine Luftstrom-Heizschlange (212) zum Wiedererwärmen der Luft mit verringerter Feuchtigkeit auf eine gewünschte Lufttemperatur der Reinraum-Einrichtung aufweist, wobei ein Kühlmittel zwischen der Luftstrom- Kühlschlange (210) und der Luftstrom-Heizschlange (212) zirkuliert; und

- einen Filter (218), der stromabwärts von dem Direktexpansions-Kühlsystem (208) angeordnet ist, um die Luft zu filtern, bevor sie in die Reinraum- Einrichtung gelangt, wobei die Primärkühlschlange (206) und das Direktexpansions-Kühlsystem (208) eine relative Feuchtigkeit in dem Luftstrom erzeugen, bei der eine Verunreinigung Partikel bildet, die durch den Filter (218) entfernbar sind.

2. Reinraum-Einrichtung mit:

einem Reinraum, der an eine Vorrichtung zum Behandeln von Luft nach Anspruch 1 gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung zum Behandeln von Luft die Feuchtigkeit der Ausgleichsluft in dem Reinraum regelt.