JP2004012016A

JP2004012016A - 空気調和装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP2004012016A
Application number: JP2002165759A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miyajima; 宮島　裕二
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】クリーンルームにおける暖房時の省エネルギを図り、外気温が零下マイナスの場合にも冷却コイルの破裂を回避する。
【解決手段】外気（ＯＡ）を第１冷却器１４、加熱器１６、加湿器１８の順に通過させて温湿度を調整した調和空気をクリーンルーム１００からの還気（ＲＡ）と混合し、第２冷却器２０で冷却した後にクリーンルーム１００に給気（ＳＡ）する空気調和装置１０において、第１冷却器１４と第２冷却器２０とを連通配管５０によって接続し、冷却水よりも温度が低い外気の暖房時に、第１冷却器１４に通水させた後の冷却水を第２冷却器２０に通水する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和装置及びその運転方法に係り、特にクリーンルーム用の空気調和装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンルーム用の空気調和装置としては、外気を第１冷却器、加熱器、加湿器の順に通過させて温湿度を調整した調和空気をクリーンルームからの還気と混合し、第２冷却器で冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしたものが知られている。すなわち、半導体製造用などのクリーンルームにおいては、内部に設置した製造機器からの発熱が大きいので、年間を通してクリーンルームからの還気を冷却する必要がある。このため、クリーンルームからの還気を第２冷却器によって冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしている。また、換気のための外気については第１冷却器、加熱器、加湿器の順に通過させて予め温湿度を調整した後に前記クリーンルームからの還気と混合することで、第２冷却器に対して外気に起因する熱負荷を極力与えないように配慮している。
【０００３】
このような、空気調和装置では、冷房時には第１冷却器に冷却水を通し、高温多湿な外気をこの第１冷却器に通過させることによって冷却減湿してクリーンルームの環境とほぼ同レベルの調和空気とする。その後、この調和した外気をクリーンルームからの還気と混合し、第２冷却器で冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしている。
また、暖房時には最前段の第１冷却器には冷却水を通水せず、外気は第１冷却器を単に通過するだけである。すなわち、暖房時には低温低湿な外気を加熱器で加温した後に、次段の加湿器で加湿してクリーンルームの環境とほぼ同レベルの調和空気とする。その後、冷房時と同様にこの調和した外気をクリーンルームからの還気と混合し、第２冷却器で冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように第１冷却器と第２冷却器とを具備したクリーンルーム用の空気調和装置にあっては、暖房時には第１冷却器が有効に利用されず、かえって、送風抵抗としてのみ作用し、無用の長物化する。また、厳寒期において外気温が零下マイナスの場合には使用されない第１冷却器のコイル内の滞留水が外気によって冷却され凍結することで、冷却コイルの破裂を招く場合がある。
本発明の目的はこのような従来技術の問題点を解消し、暖房時にも第１冷却器を有効に利用することができ、かつ、厳寒期において外気温が零下マイナスの場合にも冷却コイルの破裂を回避することが可能なクリーンルーム用の空気調和装置及びその運転方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る第１の発明は、外気を第１冷却器、加熱器、加湿器の順に通過させて温湿度を調整した調和空気をクリーンルームからの還気と混合し、第２冷却器で冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしたクリーンルーム用の空気調和装置において、前記第１冷却器と第２冷却器とを連通配管によって接続し、前記連通配管を介して前記第１冷却器に通水させた後の冷却水を前記第２冷却器に通水可能とするか、又は前記第２冷却器に通水させた後の冷却水を前記第１冷却器に通水可能としたことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る第２の発明は、前記第１の発明の空気調和装置において、前記連通配管に循環ポンプを配置し、冷却水を前記第１冷却器と前記第２冷却器との間で循環可能としたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第３の発明は、前記第１の発明の空気調和装置を用い、前記冷却水よりも温度が低い外気の暖房時に、前記第１冷却器に通水させた後の冷却水を前記第２冷却器に通水するか、又は前記第２冷却器に通水させた後の冷却水を前記第１冷却器に通水することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る第４の発明は、前記第２の発明の空気調和装置を用い、前記冷却水よりも温度が低い外気の暖房時に、前記第２冷却器に通水させた後の冷却水の少なくとも一部を前記第１冷却器と前記第２冷却器との間で循環させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る空気調和装置の第１実施形態を示す装置構成図である。空気調和装置１０は外気（ＯＡ）を導入する外気ダクト１２と、調和した給気（ＳＡ）を送風機２２によってクリーンルーム１００に供給するための給気ダクト２４と、クリーンルーム１００からの還気（ＲＡ）を第２冷却器２０の手前に導入するための還気ダクト２６とを備える。空気調和装置１０では外気ダクト１２から導入した外気（ＯＡ）を第１冷却器１４、加熱器１６、加湿器１８の順に通過させて温湿度を調整した空気をクリーンルーム１００からの還気（ＲＡ）と混合し、第２冷却器２０で冷却した後に、クリーンルーム１００に給気（ＳＡ）として供給する。外気（ＯＡ）を予め給気（ＳＡ）とほぼ近似した温湿度に調和するので、第２冷却器２０の冷却負荷は外気負荷をさほど考慮する必要がなく、主にクリーンルーム１００での内部負荷に限られる。このため、第２冷却器２０容量を小さくすることができ、かつ、システム全体の運転の安定化を図ることができる。なお、空気調和装置１０に導入する外気（ＯＡ）の量が、クリーンルーム１００から漏出又は強制排出される排気（ＥＸ）の量とバランスすることによって、クリーンルーム１００での換気が図られる。
【００１０】
第１冷却器１４の冷却水入口には開閉弁３０を備えた管路３２が接続しており、冷熱源３４から加圧された冷却水が供給可能とされる。また、第２冷却器の冷却水入口にも開閉弁３６を備えた管路３８が接続しており、冷熱源３４の冷却水が供給可能とされる。第１冷却器１４と第２冷却器２０の冷却水出口には管路４０，４２が接続しており、熱交換後の冷却水をこれらの管路を介して冷熱源３４に戻すようにされている。管路４０には流量調節弁４４が、管路４２には流量調節弁４６が設けられている。さらに、管路４０と管路３８とは開閉弁４８を備えた連通配管５０によって連通しており、第１冷却器１４に通水させた後の冷却水を管路４０、連通配管５０、管路３８の順に通して第２冷却器２０に通水可能とされている。
【００１１】
加熱器１６には図示しない加熱源から温水又は蒸気が供給可能とされ、通過する外気を必要に応じて所望の温度に間接的に加熱することができる。また、加湿器１８では適量の蒸気又は噴霧水を通過する外気に対して直接に吹き出し、外気の湿度が所望値となるように加湿することができる。加湿器１８と第２冷却器２０の中間には温度センサ５２が、給気ダクト２４には温度センサ５４がそれぞれ設けられ、これらの温度センサの指示値が目標値となるように流量調節弁４４と流量調節弁４６の開度が制御可能とされる。
【００１２】
次に、上記装置の運転方法について説明する。冷房時には主に２通りの方法が可能である。第１の方法は従来技術と同一の方法であり、開閉弁４８を閉として連通配管５０に冷却水を通さない方法である。すなわち、開閉弁３０と開閉弁３６の双方を開として、冷熱源３４からの冷却水を第１冷却器１４と第２冷却器２０にそれぞれ独立に供給し、温度センサ５２と温度センサ５４の指示値がそれぞれ目標値となるように流量調節弁４４と流量調節弁４６の開度をそれぞれ制御する。この方法は第１冷却器１４の冷却負荷が第２冷却器２０に比べて小さいか、又は近似している時に有効である。第２の方法は開閉弁３０を開、開閉弁３６を閉、開閉弁４８を開として、第１冷却器１４に通水した冷却水の一部を連通配管５０を介して第２冷却器２０に通水する方法である。流量調節弁４４と流量調節弁４６の開度は、第１の方法と同様に温度センサ５２と温度センサ５４の指示値がそれぞれ目標値となるように制御される。この方法は第１冷却器１４の冷却負荷が第２冷却器２０に比べて十分に大きい時に有効である。すなわち、酷暑時など高温な外気の冷却のために第１冷却器１４で多量に通水した熱交換後の冷却水の一部を冷却負荷が比較的小さい第２冷却器２０に通水する。この方法によれば、第２冷却器２０に流入する冷却水の温度が高くなるので冷却コイルの表面に結露が生じ難く、給気（ＳＡ）の湿度コントロールが容易となる。
【００１３】
また、暖房時にも主に２通りの方法が可能である。第１の方法は従来技術と同一の方法であり、第１冷却器１４には冷却水を通水せず、連通配管５０の開閉弁４８を閉として運転する。すなわち、低温な外気を加熱器１６で加温し、必要に応じて加湿器１８で加湿する。この温湿度を調整した外気をクリーンルーム１００からの還気（ＲＡ）と混合し、第２冷却器２０で冷却した後に、クリーンルーム１００に給気（ＳＡ）として供給する。この方法は外気の温度が冷却水の供給温度（通常は７℃程度）よりも高いか、やや低い時に有効である。第２の方法は外気の温度が冷却水の入口温度よりも十分に低い時に有効な方法であり、第１冷却器１４に通水した冷却水の全部を連通配管５０を介して第２冷却器２０に通水する方法である。すなわち、開閉弁３０を開、開閉弁３６を閉、流量調節弁４４を全閉に固定して、第１冷却器１４に通水した冷却水の全部を連通配管５０を介して第２冷却器２０に通水する。流量調節弁４６の開度は、温度センサ５４の指示値が目標値となるように制御される。この方法によれば、第１冷却器１４では低温の外気が冷却水によって予備的に加熱され、逆に冷却水は低温の外気によって冷却される。このため、次段の加熱器１６では予備的に加熱された外気を加熱すればよく、加熱負荷が低減し、省エネルギに寄与する。また、第２冷却器２０では第１冷却器１４で例えば供給温度（通常は７℃程度）に対して３℃程度までに冷却された冷却水が通水されるので、同一の冷却負荷に対する冷却水の通水量を少なくすることができ、省エネルギに寄与する。また、外気の温度が零下マイナスの場合にも、第１冷却器１４には冷却水が常時流れているので、冷却水が凍結することがない。このため、厳寒時においても第１冷却器１４での冷却コイルの破裂を確実に回避することができる。
【００１４】
図２は本発明に係る空気調和装置の第２実施形態を示す要部構成図である。図２において、図１と同一の符号を付した要素は図１に示したものと同一の要素であり、同一の機能を有するものとする。また、図２は説明の便宜上、要部のみを示しており、第１冷却器１４や第２冷却器２０は図１に示された加熱器１６やクリーンルーム１００などと同一の位置関係にあるものとする。この第２実施形態では、前記第１実施形態の連通配管５０に替えて、管路４２と管路３２とを連通させる連通配管６０を設けたものである。連通配管６０は開閉弁６２を備える。
【００１５】
この実施形態では、冷房時には開閉弁３０を閉、開閉弁３６、開閉弁７２を開として、第２冷却器２０に通水させた後の冷却水を管路４２、連通配管６０、管路３２の順に通して第１冷却器１４に通水にする運転が可能である。この運転方法によれば、第２冷却器２０に通水させた後のやや暖かい冷却水が第１冷却器１４に通水されるので、第１冷却器１４の冷却コイル表面には結露が生じ難い。このため、外気を除湿したくない状況では有効な方法となる。
また、外気の温度が冷却水の入口温度よりも低い暖房時にも、第２冷却器２０に通水した冷却水の全部を連通配管６０を介して第１冷却器１４に通水する方法が有効である。すなわち、開閉弁３０を閉、開閉弁３６と開閉弁６２を開とし、流量調節弁４６を全閉に固定して、第２冷却器２０に通水した冷却水の全部を連通配管６０を介して第１冷却器１４に通水する。この場合、流量調節弁４４の開度は、温度センサ５４の指示値が目標値となるように制御される。この方法によれば、第１冷却器１４では低温の外気が第２冷却器２０を経てやや暖められた冷却水によって予備的に加熱される。このため、次段の加熱器１６では予備的に加熱された外気を加熱すればよく、加熱負荷が低減し、省エネルギに大きく寄与する。また、第１冷却器１４では冷却水が低温の外気によって冷却されて冷熱源３４に戻されるので、冷熱源３４の冷熱負荷が低減し、省エネルギに大きく寄与する。さらに、外気の温度が零下マイナスの場合にも、第１冷却器１４にはやや暖められた冷却水が常時流れているので、冷却水が凍結することがない。このため、厳寒時においても第１冷却器１４での冷却コイルの破裂を確実に回避することができる。
【００１６】
図３は本発明に係る空気調和装置の第３実施形態を示す要部構成図である。図３において、図１と同一の符号を付した要素は図１に示したものと同一の要素であり、同一の機能を有するものとする。また、図３は説明の便宜上、要部のみを示しており、第１冷却器１４や第２冷却器２０は図１に示された加熱器１６やクリーンルーム１００などと同一の位置関係にあるものとする。この第３実施形態では、前記第１実施形態の連通配管５０や第２実施形態の連通配管６０に替えて、管路４２と管路４０とを連通させる連通配管７０を設けたものである。連通配管７０は開閉弁７２と流量調節可能な循環ポンプ７４を備える。
【００１７】
この実施形態でも外気条件に対応して種々の好ましい運転形態が選択できる。しかしながら、外気の温度が冷却水の入口温度よりも低い暖房時に最も有効な作用効果を達成することができるので、以下、この時の運転方法についてのみ説明する。
まず、開閉弁３０、開閉弁３６、開閉弁７２を開とし、流量調節弁４４を全閉に固定する。流量調節弁４６の開度は、温度センサ５４の指示値が目標値となるように制御される。また、循環ポンプ７４は必要に応じて、その流量調節機構（例えば回転数）が制御される。このような状況において、冷熱源２８からの７℃程度の冷却水は、後述する管路３２からの循環水と合流し、管路３８から第２冷却器２０に通水され、第２冷却器２０を通過する空気（外気と還気との混合空気）を間接的に冷却する。第２冷却器２０を出た冷却水の温度は熱交換によって例えば１２℃程度に昇温しており、その一部は管路４２から分岐した連通配管７０から循環ポンプ７４によって第１冷却器１４に送られる。また、第２冷却器２０を出た冷却水の残部は流量調節弁４６を介して、冷熱源３４に戻される。この流量調節弁４６によって制御される冷却水の冷熱源３４への戻り量が、前記冷熱源２８から供給される冷却水の量と一致する。第１冷却器１４では冷却水とこの冷却水よりも低い温度の外気とが熱交換するので、外気は冷却水によって加熱されて暖かくなる。このため、次段の加熱器１６では予備的に加熱された外気を加熱すればよく、加熱負荷が低減し、省エネルギに寄与する。一方、１２℃程度に昇温している冷却水は第１冷却器１４で外気によって例えば７℃程度に冷却され、冷却水として十分に利用価値がある。この第１冷却器１４からの冷却水は循環水として管路３２を介し前記冷熱源２８から供給される７℃程度の冷却水と合流し、再び管路３８から第２冷却器２０に通水される。このため、第２冷却器２０に必要な冷却負荷の内の相当量を循環水が保有する冷熱で賄うことができ、その分、冷熱源２８から供給する冷却水の量を節減することができる。
【００１８】
前記循環ポンプ７４による冷却水の循環流量の制御は、例えば第１冷却器１４出口側の冷却水の温度を温度センサ７６で検出し、この検出温度が冷熱源２８からの冷却水と同程度の７℃となるように、循環ポンプ７４の回転数を変化させることによって行う。したがって、外気の温度が零下マイナスとなる厳寒期には、第１冷却器１４での熱交換量が大きくなることが期待でき、循環水量をその分、増加させることができる。一方、厳寒期ではクリーンルーム１００の顕熱負荷が低下し、還気（ＳＡ）の温度が低くなるので、通常は第２冷却器２０における冷却負荷が小さい。このため、第２冷却器２０の冷却負荷を循環水の冷熱だけで賄うことも可能となり、このようなケースでは冷熱源２８から冷却水を供給する必要がない。
また、外気の温度が零下マイナスの場合にも、第１冷却器１４には７℃以上の冷却水（循環水）が常時流れているので、冷却水が凍結することがない。このため、厳寒時においても第１冷却器１４での冷却コイルの破裂を確実に回避することができる。
【００１９】
図４は本発明に係る空気調和装置の第４実施形態を示す要部構成図である。図４において、図１と同一の符号を付した要素は図１に示したものと同一の要素であり、同一の機能を有するものとする。また、図４は説明の便宜上、要部のみを示しており、第１冷却器１４や第２冷却器２０は図１に示された加熱器１６やクリーンルーム１００などと同一の位置関係にあるものとする。この第４実施形態では、前記第１実施形態の連通配管５０に加えて、管路４２と管路３２とを連通させる第２の連通配管８０を設けたものである。連通配管８０は開閉弁８２と流量調節可能な循環ポンプ８４を備える。
【００２０】
この実施形態において、外気の温度が冷却水の入口温度よりも低い暖房時には、まず、開閉弁３０を閉、開閉弁３６、開閉弁４８、開閉弁８２を開とし、流量調節弁４４を全閉に固定する。流量調節弁４６の開度は、温度センサ５４の指示値が目標値となるように制御される。
このような状況において、冷熱源２８からの冷却水は、連通配管５０からの循環水と合流し、管路３８から第２冷却器２０に通水され、第２冷却器２０を通過する空気を間接的に冷却する。第２冷却器２０を出た冷却水の一部は管路４２から分岐した連通配管８０から循環ポンプ８４によって第１冷却器１４に送られる。また、第２冷却器２０を出た冷却水の残部は流量調節弁４６を介して、冷熱源３４に戻される。第１冷却器１４を出た冷却水は循環水として連通配管５０を介し前記冷熱源２８から供給される冷却水と合流し、再び管路３８から第２冷却器２０に通水される。この実施形態の運転方法は、前記第３実施形態とは第１冷却器１４における冷却水（循環水）の流れ方向が逆である以外は、第３実施形態とまったく同一の作用効果を奏する。
【００２１】
図５は本発明に係る空気調和装置の第５実施形態の説明図である。この実施形態では空気調和装置１０が外気専用の調和装置１０Ａと還気の冷却を主目的とする調和装置１０Ｂとに分割されている。調和装置１０Ａで調和された外気はダクト９０から調和装置１０Ｂに流入し、ここでクリーンルーム１００からの還気と混合され、所定の処理を受ける。このような構成においても前記各実施形態と同様に第１冷却器１４と第２冷却器２０とを連通配管で接続することによって、前記各実施形態と同様の作用効果を達成することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の空気調和装置及びその運転方法によれば、クリーンルームを空調する際に、暖房時にも第１冷却器を有効に利用することができ、省エネルギに大きく寄与する。また、厳寒期において外気温が零下マイナスの場合にも冷却コイルの破裂を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気調和装置の第１実施形態を示す装置構成図である。
【図２】本発明に係る空気調和装置の第２実施形態を示す要部構成図である。
【図３】本発明に係る空気調和装置の第３実施形態を示す要部構成図である。
【図４】本発明に係る空気調和装置の第４実施形態を示す要部構成図である。
【図５】本発明に係る空気調和装置の第５実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１０……空気調和装置
１２……外気ダクト
１４……第１冷却器
１６……加熱器
１８……加湿器
２０……第２冷却器
２４……給気ダクト
２６……還気ダクト
３４……冷熱源
４４，４６……流量調節弁
５０、６０，７０，８０……連通配管
７４，８４……循環ポンプ
１００……クリーンルーム

Claims

外気を第１冷却器、加熱器、加湿器の順に通過させて温湿度を調整した調和空気をクリーンルームからの還気と混合し、第２冷却器で冷却した後に前記クリーンルームに給気するようにしたクリーンルーム用の空気調和装置において、前記第１冷却器と第２冷却器とを連通配管によって接続し、前記連通配管を介して前記第１冷却器に通水させた後の冷却水を前記第２冷却器に通水可能とするか、又は前記第２冷却器に通水させた後の冷却水を前記第１冷却器に通水可能としたことを特徴とする空気調和装置。
前記連通配管に循環ポンプを配置し、冷却水を前記第１冷却器と前記第２冷却器との間で循環可能としたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
請求項１に記載の空気調和装置を用い、前記冷却水よりも温度が低い外気の暖房時に、前記第１冷却器に通水させた後の冷却水を前記第２冷却器に通水するか、又は前記第２冷却器に通水させた後の冷却水を前記第１冷却器に通水することを特徴とする空気調和装置の運転方法。
請求項２に記載の空気調和装置を用い、前記冷却水よりも温度が低い外気の暖房時に、前記第２冷却器に通水させた後の冷却水の少なくとも一部を前記第１冷却器と前記第２冷却器との間で循環させることを特徴とする空気調和装置の運転方法。