JP2004170044A - 精密温度制御方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外気温度と設定温度の偏差が大きく違う環境で精密温度制御を行うにおいて、冷凍サイクルと補助電気ヒータを最適に制御できる精密温湿度制御方法及びその装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１４、凝縮器１５、電子膨張弁１７、蒸発器１９からなる冷凍サイクルに、圧縮機１４からのホットガスを導入して凝縮器１５の入口側に戻す再加熱器２０を接続し、精密温調すべきチャンバ内に供給する外気ＯＡを上記蒸発器１９で冷却し、その冷却した空気を再加熱器２０を通して加熱すると共に、再加熱器２０に流れるホットガス量を制御してチャンバへ供給する空調空気ＳＡを精密温調する精密温度制御方法において、上記再加熱器２０と別個に補助電気ヒータ５０を設け、チャンバ内の設定温度と上記外気との偏差を求め、その偏差が設定値以上のとき上記補助電気ヒータ５０をＯＮとすると共に偏差に応じて補助電気ヒータ５０の発熱量を制御するようにしたものである。
【選択図】 図１
【解決手段】圧縮機１４、凝縮器１５、電子膨張弁１７、蒸発器１９からなる冷凍サイクルに、圧縮機１４からのホットガスを導入して凝縮器１５の入口側に戻す再加熱器２０を接続し、精密温調すべきチャンバ内に供給する外気ＯＡを上記蒸発器１９で冷却し、その冷却した空気を再加熱器２０を通して加熱すると共に、再加熱器２０に流れるホットガス量を制御してチャンバへ供給する空調空気ＳＡを精密温調する精密温度制御方法において、上記再加熱器２０と別個に補助電気ヒータ５０を設け、チャンバ内の設定温度と上記外気との偏差を求め、その偏差が設定値以上のとき上記補助電気ヒータ５０をＯＮとすると共に偏差に応じて補助電気ヒータ５０の発熱量を制御するようにしたものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密温調すべき空間に精密温度制御した空調空気を供給するための精密温度制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体プロセスをはじめとした精密加工を行うプロセスにおいて、プロセス装置は年間を通じて安定した運転状態を維持し、また停止状態においても装置自身の精度を維持するために安定した環境下におかれる必要がある。このため、半導体プロセス装置を取り扱う場合、温湿度制御がされたクリーンルーム内にプロセス装置を設置すると共に、特に加工精度の高いプロセス装置は隔壁で仕切ったチャンバと呼ばれる容器内に収容して稼働している。
【０００３】
このチャンバ内はプロセス装置の環境を維持するため、±０．１℃またはこれ以上の安定度に精密温度制御された空間となっており、プロセス装置はこの環境下で加工精度を確保している。
【０００４】
チャンバの温度制御は、冷凍サイクルを用いて行われ、外気やチャンバ内の空気を蒸発器に導入して冷却した後、これを電気ヒータで再加熱するようにしている。また湿度も同時に制御するには、超音波加湿器やパン型加湿器で加湿して設定温湿度になるようにしている。
【０００５】
半導体製造プロセス装置は半導体の世代が進むにつれ、大型化すると同時に消費する電力の量も大型化し、半導体工場での消費電力は膨大な量を必要としてきている。特に上記の高度な温度制御を必要するプロセス装置のための再加熱用電気ヒータは消費電力のうちのかなりの割合を占めている。
【０００６】
そこで、本発明者は、特許文献１（発明の名称；精密温調装置）にて、蒸発器の吹き出し側に、冷凍サイクルに接続された再加熱器を設置し、その再加熱器に、圧縮機からのホットガスを流すことで、冷凍サイクルの廃熱を利用して温度制御を行うようことを提案した。この精密温調装置においては、圧縮機からのホットガスを凝縮器と再加熱器に分流して供給するためには、通常の三方弁では、応答性が悪いため、電−空比例制御弁を用い、電気信号を空気圧に変換し、その空気圧で比例制御弁の分流比を調整することで、応答性がよく±０．１℃以上の精密温調制御を可能としたものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１９９６５７号公報
【特許文献２】
特願２００２−１１０３６９号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１においては、冷凍サイクルは、温湿度制御のためには、冷却能力を略最大で運転して冷却・除湿した空気を、設定温湿度となるように加熱すると共に加湿しているため、冷凍サイクルと加湿器を運転する消費電力が、未だ嵩む問題を残している。
【０００９】
このため特許文献２で提案したように、圧縮機をインバータで駆動し、設定湿度に対して最小の加湿量となるように圧縮機の能力を制御することで消費電力を最小とすることができる。
【００１０】
しかし、特許文献１、特許文献２とも、再加熱器による最大加熱能力は、使用する冷凍サイクルの冷凍機能力で確定するため、チャンバの設定温度と外気温度とが大きく相違し、再加熱器による暖房負荷が大きい場合には、補助的な電気ヒータが必要となり、このため、冷凍サイクルでの運転と補助電気ヒータの運転を併用しながら高精度で精密温調する制御が必要となる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、外気温度と設定温度の偏差が大きく違う環境で精密温度制御を行うにおいて、冷凍サイクルと補助電気ヒータを最適に制御できる精密温度制御方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器からなる冷凍サイクルに、圧縮機からのホットガスを導入して凝縮器の入口側に戻す再加熱器を接続し、精密温調すべきチャンバ内に供給する外気を上記蒸発器で冷却し、その冷却した空気を再加熱器を通して加熱すると共に、再加熱器に流れるホットガス量を制御してチャンバへ供給する空調空気を精密温調する精密温度制御方法において、上記再加熱器と別個に補助電気ヒータを設け、チャンバ内の設定温度と上記外気との偏差を求め、その偏差が設定値以上のとき上記補助電気ヒータをＯＮとすると共に偏差に応じて補助電気ヒータの発熱量を制御するようにした精密温度制御方法である。
【００１３】
請求項２の発明は、補助電気ヒータが、蒸発器の外気導入側に設けられ、外気温度と設定温度の偏差が設定値以上のときに補助電気ヒータをＯＮとし、その偏差に応じて補助電気ヒータを通電制御し、偏差が設定値以下のとき補助電気ヒータをＯＦＦとする請求項１記載の精密温度制御方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、圧縮機がインバータ装置で能力可変に制御され、設定温度と空調空気の温度に基づいて再加熱器へのホットガス量を制御して加熱量を制御すると共にその空調空気が設定湿度となるように加湿器での加湿量を制御し、その加湿器の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置で圧縮機の能力を制御するようにした請求項１又は２記載の精密温度制御方法である。
【００１５】
請求項４の発明は、インバータ装置で駆動される圧縮機、三方比例制御弁、冷却水で冷媒を凝縮させる凝縮器、電子膨張弁、蒸発器を順次接続し、上記三方比例制御弁に、圧縮機から三方比例制御弁を介して分流されたホットガスを導入する再加熱器を接続し、その再加熱器の出口側を凝縮器の入口側に接続して冷凍サイクルを構成し、上記外気を冷却する蒸発器の吹出側に上記再加熱器を設置し、圧縮機からのホットガスの一部を再加熱器に導入し、そのホットガスで、蒸発器で冷却された空気を再加熱すると共にその再加熱された空気を加湿器で加湿して温湿度制御された空調空気とするに際して、蒸発器の外気導入側に設けられた補助電気ヒータと、設定温度と空調空気の温度に基づいて三方比例制御弁の分流比を制御する吹出温度制御部と、設定湿度と空調空気の湿度から加湿器での加湿量を制御する吹出湿度制御部と、その加湿器への制御出力と予め最小の加湿量となるように加湿出力設定値とが入力され、これに基づいてインバータ装置の運転周波数、電子膨張弁の開度、凝縮器への冷却水量を制御するための制御出力をつくり出す加湿出力制御部と、設定温度と外気温度との偏差を求め、その偏差で、上記補助電気ヒータをＯＮ−ＯＦＦ制御すると共に補助電気ヒータのＯＮ時にその補助電気ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備えた精密温度制御装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
先ず、図２により精密温度装置を説明する。
【００１８】
図２において、１０は、ケーシングで、ケーシング１０の下部に機械室１１が形成され、ケーシング１０の側面中央からケーシング１０の頂部にかけてＬ字状に空調室１２が形成され、ケーシング１０内の上部に制御室１３が形成される。
機械室１１には、図３で詳細に説明するが、圧縮機１４、凝縮器１５、電−空比例制御弁１６、電子膨張弁１７等が収容される。空調室１２には、外気ＯＡの吸込口１８に位置して、補助電気ヒータ５０、蒸発器１９、再加熱器２０が配置され、その再加熱器２０の下流側の空調室１２には、パン型或いは超音波型の加湿器２１が配置され、空調室１２の吹出口２２側には、ファン２３が配置される。吹出口２２には、空調空間であるチャンバ（図示せず）に温湿度制御された空調空気ＳＡを送るダクト２４が接続される。
【００１９】
図３は、精密温湿度装置の冷凍サイクルと補助電気ヒータ５０を示したものであり、圧縮機１４の吐出側に電−空比例制御弁１６が接続され、その一方のポート１６ａに凝縮器１５が接続され、凝縮器１５の出口側に電子膨張弁１７が接続され、その電子膨張弁１７に蒸発器１９が接続され、蒸発器１９の出口側が圧縮機１４の吸込側に接続されて冷凍サイクルが構成される。
【００２０】
電−空比例制御弁１６の他方のポート１６ｂには、再加熱器２０が接続され、その再加熱器２０の出口側が戻しライン２５を介して凝縮器１５の入口側に接続される。また戻しライン２５には、逆止弁２６が接続される。
【００２１】
外気ＯＡの吸込口１８より補助電気ヒータ５０、蒸発器１９、再加熱器２０の順に配置され、後述するが設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲内のときは、外気ＯＡを、蒸発器１９で冷却し、再加熱器２０で設定温度に再加熱し、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲外のとき、外気ＯＡを、補助電気ヒータ５０で加熱し、蒸発器１９で冷却し、再加熱器２０で設定温度に再加熱するようになっている。
【００２２】
圧縮機１４は、運転周波数可変のインバータ装置２７により駆動される。インバータ装置２７は、商用電源を直流に変換し、これをトランジスタで出力周波数可変の三相或いは単相交流に変換して圧縮機１４を駆動するもので、後述する制御装置３０からの運転指令周波数に応じて、トランジスタをパルス幅変調によりスイッチングして圧縮機１４のモータを駆動する。
【００２３】
電−空比例制御弁１６は、空気圧で開閉作動される絞り弁３１ａ，３１ｂと、入力された電気信号に応じた空気圧を発生し、その空気圧で絞り弁３１ａ，３１ｂを作動する電−空変換器３２と、その電−空変換器３２に圧縮空気を供給する圧縮源３３とからなる。絞り弁３１ａ，３１ｂは、その弁開度が連動するようにされ、一方の弁開度が１００％のとき他方が０％で、空気圧に応じて、その合計開度が常時１００％となるように両者の弁開度が設定されるようになっている。
【００２４】
凝縮器１５には、圧縮機１４からのホットガスを冷却するための冷却水供給ライン３４と、冷却後の冷却水を排水する排水ライン３５が接続され、その排水ライン３５に冷却水量を調整する冷却水制御弁３６が接続される。
【００２５】
次に、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲内のとき、再加熱器２０を接続した冷凍サイクルの作動を説明する。
【００２６】
図３の冷凍サイクルにおける冷媒は、圧縮機１４で高温高圧冷媒ガス（ホットガス）とされて凝縮器１５に流れ、そこで冷却水と熱交換されて凝縮され、電子膨張弁１７で減圧されて、気液混合冷媒となって蒸発器１９に流れ、そこでファン２３で吸い込まれた外気ＯＡと熱交換して蒸発して圧縮機１４に戻り再度圧縮されて循環する。
【００２７】
この冷凍サイクルの運転中、電−空比例制御弁１６の分流比が調整されて圧縮機１４からのホットガスの一部が再加熱器２０に流され、蒸発器１９で冷却された空気をホットガスで設定温度まで再加熱し、ダクト２４から吹き出す空調空気ＳＡの温度を制御すると共に加湿器２１により設定湿度に加湿制御する。
【００２８】
また、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲外のとき、補助電気ヒータ５０で、外気ＯＡが所定温度まで加熱され、その後、上述したように蒸発器１９で冷却され、再加熱器２０で設定温度に加熱されるようになっている。
【００２９】
図２，図３に示すようにファン２３の吹出側には、吹出温度を検出する吹出温度センサＳ１と、湿度を検出する湿度センサＳ２、空調空気の風量を検出する風量センサＳ６が設けられる。また、蒸発器１９の出口側の配管には、冷媒の蒸発圧力を検出する蒸発圧力センサＳ３と、冷媒の温度を検出する吸込温度センサＳ４が設けられ、さらに、圧縮機１４の出口側には、冷媒の凝縮圧力を検出する凝縮圧力センサＳ５が設けられる。
【００３０】
さらに、吸込口１８には、外気ＯＡの温度（環境温度）を検出する環境温度センサＳ７が設けられる。
【００３１】
これら、センサＳ１〜Ｓ７の検出値は、制御装置３０に入力され、その検出値に基づいて制御装置３０は、補助電気ヒータ５０のＯＮ−ＯＦＦ制御とＯＮ時の通電制御、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御する。
【００３２】
すなわち、制御装置３０は、設定温度と外気ＯＡの温度（環境温度）との偏差を求め、その偏差が設定値以内（設定温度−環境温度＜２．５℃）であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦとしたまま、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御し、さらに、加湿器２１の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置２７で圧縮機１４の能力を制御し、かつ、その能力で、冷凍サイクルが安定するよう電子膨張弁１７、凝縮器１５への冷却水量を制御するようになっている。また制御装置３０は、設定温度と外気ＯＡの温度（環境温度）との偏差が設定値以外（設定温度−環境温度≧２．５℃）であれば、補助電気ヒータ５０をＯＮとし、その偏差に応じて補助電気ヒータ５０の通電制御を行うと共に、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御し、さらに、加湿器２１の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置２７で圧縮機１４の能力を制御し、かつ、その能力で、冷凍サイクルが安定するよう電子膨張弁１７、凝縮器１５への冷却水量を制御するようになっている。
【００３３】
この制御装置３０による再熱制御は、吹出温度センサＳ１の検出値に基づいて、吹出温度を設定温度にすべく電−空比例制御弁１６の電−空変換器３２に電気信号を出力して、再加熱器２０に流れるホットガス量を制御し、湿度センサＳ２の検出値に基づいて、設定湿度となるように加湿器２１での加湿量を制御する。
【００３４】
また、制御装置３０は、蒸発圧力センサＳ３の検出値に基づいて、インバータ装置２７の運転周波数を制御し、冷媒の吸込温度センサＳ４の検出値に基づいて電子膨張弁１７の減圧度を制御し、さらに凝縮圧力センサＳ５の検出値に基づいて、冷却水制御弁３６を制御するようになっている。
【００３５】
この制御装置３０は、蒸発器１９に吸い込む外気ＯＡの状態（温湿度）と、吹き出す空調空気ＳＡの設定温湿度に応じて、先ず、空調空気ＳＡの温湿度が設定値となるように制御し、その制御中の加湿出力を検出し、加湿器２１での加湿量が最小となるように加湿出力制御を行い、その上で冷凍サイクルが安定運転するようにインバータ装置２７、電子膨張弁１７、冷却水制御弁３６を制御する。
【００３６】
この制御装置３０の詳細を図１により説明する。
【００３７】
制御装置３０は、吹出温度制御部４０と吹出湿度制御部４１と冷媒蒸発圧力制御部４２と吸込冷媒温度制御部４３と凝縮圧力制御部４４と、加湿出力制御部４５と、補助電気ヒータ５０の通電制御部５１から構成される。
【００３８】
吹出温度制御部４０は、温度センサＳ１から入力される検出温度ＰＶ１と設定温度ＳＰ１とを比較演算し、その結果に基づいて電−空比例制御弁１６に制御信号ＭＶ１を出力して、再熱制御を行う。
【００３９】
吹出湿度制御部４１は、湿度センサＳ２から入力される検出湿度ＰＶ２と設定湿度ＳＰ２とを比較演算し、その結果に基づいて加湿器２１に制御信号ＭＶ２を出力して、加湿制御を行う。
【００４０】
冷媒蒸発圧力制御部４２は、蒸発圧力センサＳ３から入力される検出圧力ＰＶ３と設定蒸発圧力ＲＳＰ３とを比較演算し、その結果に基づいてインバータ装置２７に制御信号ＭＶ３を出力し、圧縮機１４の運転周波数を可変することで蒸発圧力制御を行う。この場合、冷媒蒸発圧力制御部４２は、圧縮機１４の吸込圧力が、０．４〜０．５４ＭＰａの可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４１】
吸込冷媒温度制御部４３は、冷媒吸込温度センサＳ４から入力される検出吸込温度ＰＶ４と設定吸込温度ＲＳＰ４とを比較演算し、その結果に基づいて電子膨張弁１７に制御信号ＭＶ４を出力して、その開度を可変することで吸込冷媒温度の制御を行う。この場合、吸込冷媒温度制御部４３は、吸込冷媒温度が、１４〜１８℃の可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４２】
凝縮圧力制御部４４は、凝縮圧力センサＳ５から入力される検出圧力と設定凝縮圧力ＲＳＰ５とを比較演算し、その結果に基づいて、冷却水制御弁３６に制御信号ＭＶ５を出力して冷却水量を可変することで、凝縮圧力制御を行う。この場合、凝縮圧力制御部４４は、凝縮圧力が、１．４〜１．６ＭＰａの可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４３】
加湿出力制御部４５は、吹出湿度制御部４１の加湿制御信号ＭＶ２を、一次遅れ４段結合処理などにて高次成分をカットするローパスフィルタ４６を通して入力される制御信号ＰＶ６と加湿出力設定値ＳＰ６とを比較演算し、その結果に基づいて、制御出力ＭＶ６を出力し、冷媒蒸発圧力制御部４２には、制御出力ＭＶ６に基づいて変換された設定蒸発圧力ＲＳＰ３が入力され、吸込冷媒温度制御部４３には、同様に設定吸込温度ＲＳＰ４が入力され、凝縮圧力制御部４４には、設定凝縮圧力ＲＳＰ５が入力される。
【００４４】
この加湿出力制御部４５に入力される加湿出力設定値ＳＰ６は、風量センサＳ６で検出された風量値に基づいて決定される。すなわち、風量センサＳ６で検出された風量値が、スケーリング４８に入力され、その風量値に基づいて、スケーリング４８は、その風量範囲中、最大風量時には２５％を、最小風量時には１０％となるよう、その風量範囲で、２５〜１０％の値を選択し、これを加湿出力設定器４９に入力し、加湿出力設定器４９が、これを受けて加湿出力制御部４５に加湿出力設定値ＳＰ６を出力する。
【００４５】
この加湿出力設定値ＳＰ６は、吹出湿度制御部４１での最大加湿量（除湿量をゼロ或いは最小として冷却したときの冷却空気の絶対湿度と空調空気ＳＡの絶対湿度との差）に対する加湿器２１の最大加湿能力の比（最大加湿量／最大加湿能力）であり、これは風量により変化するため、風量センサＳ６とスケーリング４８で、風量に応じて、１０〜２５％の設定値を選択する。
【００４６】
この設定値入力の範囲（１０〜２５％）で、制御出力ＭＶ６は、０〜１００％の値をとる。この０〜１００％の制御出力ＭＶ６に対して、設定蒸発圧力ＲＳＰ３は、０．４〜０．５４ＭＰａの可変範囲で、０〜１００％の値をとり、設定吸込温度ＲＳＰ４は、１４〜１８℃の可変範囲で、０〜１００％の値をとり、設定凝縮圧力ＲＳＰ５は、１．４〜１．６ＭＰａの可変範囲で、０〜１００％の値をとるようにされる。
【００４７】
また、通電制御部５１は、偏差部５２、スケーリング５３、電圧補正部５５とからなり、入力された環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、偏差ΔＴが設定値内であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦのままとし、偏差ΔＴが設定値を超えるときは、その偏差ΔＴに応じて補助電気ヒータ５０への通電制御（供給電圧制御）を行って、その発熱量を制御するようになっている。
【００４８】
この通電制御部５１をさらに詳しく説明する。
【００４９】
環境温度センサＳ７で検出された環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１とが偏差部５２に入力されると、設定温度ＳＰ１に対する環境温度ＰＶ７の偏差（ΔＴ＝ＳＰ１−ＰＶ７）が偏差部５２で求められる。
【００５０】
この偏差部５２は、圧縮機の能力にもよるが、設定温度に対して外気ＯＡの温度（環境温度）の偏差ΔＴが、２．５℃以上あるときにスケーリング５３に、その偏差ΔＴが出力される。スケーリング５３は、偏差部５２から入力された偏差ΔＴ（２．５〜５．０℃）の値に基づいて比例制御出力（２．５℃を０％、５．０℃を１００％とした温度偏差率）をつくると共に、出力の上限と下限を、風量センサＳ６の風力値に基づいて、最大風量から最小風量までスケーリングを行って設定値ＳＰ７を電圧補正部５５に出力する。電圧補正部５５では、入力された設定値ＳＰ７を基に補助電気ヒータ５０の通電量（電圧）を制御するが、この際、補助電気ヒータ５０に印加される電圧が電圧検出部５４で検出され、その電圧値Ｖ７に基づいてフィードバック制御により電圧補正を行って制御信号ＭＶ７をつくりだし、それに基づいて補助電気ヒータ５０の発熱量を制御するようになっている。
【００５１】
この補助電気ヒータ５０の発熱量の制御は、図４に示すようにヒータ最大出力を１００％としたとき、スケーリング５３での設定値ＳＰ７（ヒータ出力）は、
ヒータ出力（％）＝温度偏差率（％）×（実風量／Ｍａｘ風量）
となり、偏差ΔＴが最大偏差（５℃）で、最大風量時には、ヒータ出力が１００％となるよう、また実風量が、最大風量の１／２であれば、５０％（Ｍａｘ×１／２）のヒータ出力となり、２．５℃の偏差率０％まで連続的に変化した値となる。
【００５２】
また、電圧補正５５で出力される制御信号ＭＶ７に基づくヒータ実出力（ｋｗ）は、
ヒータ実出力（ｋｗ）＝ヒータ容量（ｋｗ）×ヒータ出力（％）×電圧補正
となる。
【００５３】
このように、通電制御部５１で、環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、偏差ΔＴが設定値内であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦのままとし、偏差ΔＴが設定値を超えるときは、その偏差ΔＴに応じてスケーリング５３が温度偏差率と実風量からヒータ出力を求めて、電圧補正５５がヒータ実出力を求めて、補助電気ヒータ５０への通電制御（供給電圧制御）を行って、その発熱量を制御することで、蒸発器１９に流入する空気は、外部の環境温度にかかわらず所定の範囲にされ、以後は冷凍サイクルの蒸発器１９と再加熱器２０による冷却と再加熱で設定温湿度に制御される。
【００５４】
この補助電気ヒータ５０をＯＦＦ状態からＯＮに、或いはＯＮ状態からＯＦＦに切り替える際に、通電制御部５１は、環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、その偏差ΔＴ分の暖房負荷を補助電気ヒータ５０で補うことで、切り替え時に温度制御、湿度制御を乱すことなく精密温湿度制御を行うことが可能となる。
【００５５】
図５は、従来の通電制御と本発明の温度偏差ΔＴに基づく補助電気ヒータ５０の制御と消費電力の関係を示したもので、ａは本発明を、ｂは従来例の制御を示す。
【００５６】
図５に示すように、温度偏差ΔＴが０と最大（５℃）のときには、本発明ａ及び従来例ｂとも消費電力は同じであるが、０〜最大までの間の消費電力は、本発明ａの場合には従来例ｂより斜線に示した領域Ｒ分省エネが達成できる。
【００５７】
次に、本発明の精密温度制御方法で、チャンバ内の設定温度と環境温度（外気温度）変化における補助電気ヒータ５０のＯＮ−ＯＦＦ切り替え時の各温度の経時変化の例を図６、図７に示す。。
【００５８】
図６は、環境温度がチャンバの設定温度（２５℃）に近い温度（約２４℃）から、十分低い温度（約２１℃）まで下がったときを、図７は、環境温度がチャンバの設定温度（２５℃）に対して十分低い温度（約２１℃）から、設定温度に近い温度（約２４℃）まで上昇したときを示している。
【００５９】
図６において、環境温度が約２３．８０℃前後で、設定温度（２５℃）に対する偏差ΔＴが約１．２℃のときには、補助電気ヒータをＯＦＦとして、冷凍サイクルの蒸発器と再加熱器のみで、精密温度制御を行う。この際、チャンバ温度は、２５±０．０１℃に保たれている。この状態で、環境温度が２２．５℃と偏差ΔＴ０ が２．５℃になったときに補助電気ヒータがＯＮとなり、補助電気ヒータの通電制御がなされ、環境温度が２０．８０℃まで下がってもチャンバ温度は、２５±０．０１℃に保たれる。
【００６０】
図６において、環境温度が２０．８０℃と低く、設定温度（２５℃）に対する偏差ΔＴが約４．２℃のとき、補助電気ヒータによる通電制御を行って、チャンバ温度を、２５±０．０１℃に保って精密温度制御を行う。その後、環境温度が上がり、２２．５℃となり偏差ΔＴ０ が２．５℃以下となったときに補助電気ヒータをＯＦＦとして、冷凍サイクルの蒸発器と再加熱器のみで、精密温度制御を行う。
【００６１】
このように、補助電気ヒータのＯＮ−ＯＦＦを切り替え、その切り替え時においても、チャンバ内を精密温湿度制御が行える。
【００６２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、冷凍サイクルに再加熱器を接続し、その再加熱器による加熱と補助電気ヒータとの加熱を併用し、設定温度に対して外気温度の偏差を求め、その偏差に基づいて補助電気ヒータを制御することで、外気の広範な変動に対して、精密温度制御が行えると共に、その切り替え時にも精密な温度精度を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す装置図である。
【図３】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す冷凍サイクル図である。
【図４】本発明において、温度偏差率に対する補助電気ヒータのヒータ出力と、風量にスケーリングの関係を説明する図である。
【図５】本発明と従来例における温度偏差と消費電力の関係を示す図である。
【図６】本発明において、補助電気ヒータをＯＮとするときの、環境温度とチャンバ温度の経時変化を示す図である。
【図７】本発明において、補助電気ヒータをＯＦＦとするときの、環境温度とチャンバ温度の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 三方比例制御弁
１７ 電子膨張弁
１９ 蒸発器
２０ 再加熱器
２１ 加湿器
２７ インバータ装置
４０ 吹出温度制御部
４１ 吹出湿度制御部
４５ 加湿出力制御部
５０ 補助電気ヒータ
５１ 通電制御部
ＯＡ 外気
ＳＡ 空調空気
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密温調すべき空間に精密温度制御した空調空気を供給するための精密温度制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体プロセスをはじめとした精密加工を行うプロセスにおいて、プロセス装置は年間を通じて安定した運転状態を維持し、また停止状態においても装置自身の精度を維持するために安定した環境下におかれる必要がある。このため、半導体プロセス装置を取り扱う場合、温湿度制御がされたクリーンルーム内にプロセス装置を設置すると共に、特に加工精度の高いプロセス装置は隔壁で仕切ったチャンバと呼ばれる容器内に収容して稼働している。
【０００３】
このチャンバ内はプロセス装置の環境を維持するため、±０．１℃またはこれ以上の安定度に精密温度制御された空間となっており、プロセス装置はこの環境下で加工精度を確保している。
【０００４】
チャンバの温度制御は、冷凍サイクルを用いて行われ、外気やチャンバ内の空気を蒸発器に導入して冷却した後、これを電気ヒータで再加熱するようにしている。また湿度も同時に制御するには、超音波加湿器やパン型加湿器で加湿して設定温湿度になるようにしている。
【０００５】
半導体製造プロセス装置は半導体の世代が進むにつれ、大型化すると同時に消費する電力の量も大型化し、半導体工場での消費電力は膨大な量を必要としてきている。特に上記の高度な温度制御を必要するプロセス装置のための再加熱用電気ヒータは消費電力のうちのかなりの割合を占めている。
【０００６】
そこで、本発明者は、特許文献１（発明の名称；精密温調装置）にて、蒸発器の吹き出し側に、冷凍サイクルに接続された再加熱器を設置し、その再加熱器に、圧縮機からのホットガスを流すことで、冷凍サイクルの廃熱を利用して温度制御を行うようことを提案した。この精密温調装置においては、圧縮機からのホットガスを凝縮器と再加熱器に分流して供給するためには、通常の三方弁では、応答性が悪いため、電−空比例制御弁を用い、電気信号を空気圧に変換し、その空気圧で比例制御弁の分流比を調整することで、応答性がよく±０．１℃以上の精密温調制御を可能としたものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１９９６５７号公報
【特許文献２】
特願２００２−１１０３６９号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１においては、冷凍サイクルは、温湿度制御のためには、冷却能力を略最大で運転して冷却・除湿した空気を、設定温湿度となるように加熱すると共に加湿しているため、冷凍サイクルと加湿器を運転する消費電力が、未だ嵩む問題を残している。
【０００９】
このため特許文献２で提案したように、圧縮機をインバータで駆動し、設定湿度に対して最小の加湿量となるように圧縮機の能力を制御することで消費電力を最小とすることができる。
【００１０】
しかし、特許文献１、特許文献２とも、再加熱器による最大加熱能力は、使用する冷凍サイクルの冷凍機能力で確定するため、チャンバの設定温度と外気温度とが大きく相違し、再加熱器による暖房負荷が大きい場合には、補助的な電気ヒータが必要となり、このため、冷凍サイクルでの運転と補助電気ヒータの運転を併用しながら高精度で精密温調する制御が必要となる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、外気温度と設定温度の偏差が大きく違う環境で精密温度制御を行うにおいて、冷凍サイクルと補助電気ヒータを最適に制御できる精密温度制御方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器からなる冷凍サイクルに、圧縮機からのホットガスを導入して凝縮器の入口側に戻す再加熱器を接続し、精密温調すべきチャンバ内に供給する外気を上記蒸発器で冷却し、その冷却した空気を再加熱器を通して加熱すると共に、再加熱器に流れるホットガス量を制御してチャンバへ供給する空調空気を精密温調する精密温度制御方法において、上記再加熱器と別個に補助電気ヒータを設け、チャンバ内の設定温度と上記外気との偏差を求め、その偏差が設定値以上のとき上記補助電気ヒータをＯＮとすると共に偏差に応じて補助電気ヒータの発熱量を制御するようにした精密温度制御方法である。
【００１３】
請求項２の発明は、補助電気ヒータが、蒸発器の外気導入側に設けられ、外気温度と設定温度の偏差が設定値以上のときに補助電気ヒータをＯＮとし、その偏差に応じて補助電気ヒータを通電制御し、偏差が設定値以下のとき補助電気ヒータをＯＦＦとする請求項１記載の精密温度制御方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、圧縮機がインバータ装置で能力可変に制御され、設定温度と空調空気の温度に基づいて再加熱器へのホットガス量を制御して加熱量を制御すると共にその空調空気が設定湿度となるように加湿器での加湿量を制御し、その加湿器の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置で圧縮機の能力を制御するようにした請求項１又は２記載の精密温度制御方法である。
【００１５】
請求項４の発明は、インバータ装置で駆動される圧縮機、三方比例制御弁、冷却水で冷媒を凝縮させる凝縮器、電子膨張弁、蒸発器を順次接続し、上記三方比例制御弁に、圧縮機から三方比例制御弁を介して分流されたホットガスを導入する再加熱器を接続し、その再加熱器の出口側を凝縮器の入口側に接続して冷凍サイクルを構成し、上記外気を冷却する蒸発器の吹出側に上記再加熱器を設置し、圧縮機からのホットガスの一部を再加熱器に導入し、そのホットガスで、蒸発器で冷却された空気を再加熱すると共にその再加熱された空気を加湿器で加湿して温湿度制御された空調空気とするに際して、蒸発器の外気導入側に設けられた補助電気ヒータと、設定温度と空調空気の温度に基づいて三方比例制御弁の分流比を制御する吹出温度制御部と、設定湿度と空調空気の湿度から加湿器での加湿量を制御する吹出湿度制御部と、その加湿器への制御出力と予め最小の加湿量となるように加湿出力設定値とが入力され、これに基づいてインバータ装置の運転周波数、電子膨張弁の開度、凝縮器への冷却水量を制御するための制御出力をつくり出す加湿出力制御部と、設定温度と外気温度との偏差を求め、その偏差で、上記補助電気ヒータをＯＮ−ＯＦＦ制御すると共に補助電気ヒータのＯＮ時にその補助電気ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備えた精密温度制御装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
先ず、図２により精密温度装置を説明する。
【００１８】
図２において、１０は、ケーシングで、ケーシング１０の下部に機械室１１が形成され、ケーシング１０の側面中央からケーシング１０の頂部にかけてＬ字状に空調室１２が形成され、ケーシング１０内の上部に制御室１３が形成される。
機械室１１には、図３で詳細に説明するが、圧縮機１４、凝縮器１５、電−空比例制御弁１６、電子膨張弁１７等が収容される。空調室１２には、外気ＯＡの吸込口１８に位置して、補助電気ヒータ５０、蒸発器１９、再加熱器２０が配置され、その再加熱器２０の下流側の空調室１２には、パン型或いは超音波型の加湿器２１が配置され、空調室１２の吹出口２２側には、ファン２３が配置される。吹出口２２には、空調空間であるチャンバ（図示せず）に温湿度制御された空調空気ＳＡを送るダクト２４が接続される。
【００１９】
図３は、精密温湿度装置の冷凍サイクルと補助電気ヒータ５０を示したものであり、圧縮機１４の吐出側に電−空比例制御弁１６が接続され、その一方のポート１６ａに凝縮器１５が接続され、凝縮器１５の出口側に電子膨張弁１７が接続され、その電子膨張弁１７に蒸発器１９が接続され、蒸発器１９の出口側が圧縮機１４の吸込側に接続されて冷凍サイクルが構成される。
【００２０】
電−空比例制御弁１６の他方のポート１６ｂには、再加熱器２０が接続され、その再加熱器２０の出口側が戻しライン２５を介して凝縮器１５の入口側に接続される。また戻しライン２５には、逆止弁２６が接続される。
【００２１】
外気ＯＡの吸込口１８より補助電気ヒータ５０、蒸発器１９、再加熱器２０の順に配置され、後述するが設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲内のときは、外気ＯＡを、蒸発器１９で冷却し、再加熱器２０で設定温度に再加熱し、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲外のとき、外気ＯＡを、補助電気ヒータ５０で加熱し、蒸発器１９で冷却し、再加熱器２０で設定温度に再加熱するようになっている。
【００２２】
圧縮機１４は、運転周波数可変のインバータ装置２７により駆動される。インバータ装置２７は、商用電源を直流に変換し、これをトランジスタで出力周波数可変の三相或いは単相交流に変換して圧縮機１４を駆動するもので、後述する制御装置３０からの運転指令周波数に応じて、トランジスタをパルス幅変調によりスイッチングして圧縮機１４のモータを駆動する。
【００２３】
電−空比例制御弁１６は、空気圧で開閉作動される絞り弁３１ａ，３１ｂと、入力された電気信号に応じた空気圧を発生し、その空気圧で絞り弁３１ａ，３１ｂを作動する電−空変換器３２と、その電−空変換器３２に圧縮空気を供給する圧縮源３３とからなる。絞り弁３１ａ，３１ｂは、その弁開度が連動するようにされ、一方の弁開度が１００％のとき他方が０％で、空気圧に応じて、その合計開度が常時１００％となるように両者の弁開度が設定されるようになっている。
【００２４】
凝縮器１５には、圧縮機１４からのホットガスを冷却するための冷却水供給ライン３４と、冷却後の冷却水を排水する排水ライン３５が接続され、その排水ライン３５に冷却水量を調整する冷却水制御弁３６が接続される。
【００２５】
次に、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲内のとき、再加熱器２０を接続した冷凍サイクルの作動を説明する。
【００２６】
図３の冷凍サイクルにおける冷媒は、圧縮機１４で高温高圧冷媒ガス（ホットガス）とされて凝縮器１５に流れ、そこで冷却水と熱交換されて凝縮され、電子膨張弁１７で減圧されて、気液混合冷媒となって蒸発器１９に流れ、そこでファン２３で吸い込まれた外気ＯＡと熱交換して蒸発して圧縮機１４に戻り再度圧縮されて循環する。
【００２７】
この冷凍サイクルの運転中、電−空比例制御弁１６の分流比が調整されて圧縮機１４からのホットガスの一部が再加熱器２０に流され、蒸発器１９で冷却された空気をホットガスで設定温度まで再加熱し、ダクト２４から吹き出す空調空気ＳＡの温度を制御すると共に加湿器２１により設定湿度に加湿制御する。
【００２８】
また、設定温度に対して外気ＯＡの温度が所定範囲外のとき、補助電気ヒータ５０で、外気ＯＡが所定温度まで加熱され、その後、上述したように蒸発器１９で冷却され、再加熱器２０で設定温度に加熱されるようになっている。
【００２９】
図２，図３に示すようにファン２３の吹出側には、吹出温度を検出する吹出温度センサＳ１と、湿度を検出する湿度センサＳ２、空調空気の風量を検出する風量センサＳ６が設けられる。また、蒸発器１９の出口側の配管には、冷媒の蒸発圧力を検出する蒸発圧力センサＳ３と、冷媒の温度を検出する吸込温度センサＳ４が設けられ、さらに、圧縮機１４の出口側には、冷媒の凝縮圧力を検出する凝縮圧力センサＳ５が設けられる。
【００３０】
さらに、吸込口１８には、外気ＯＡの温度（環境温度）を検出する環境温度センサＳ７が設けられる。
【００３１】
これら、センサＳ１〜Ｓ７の検出値は、制御装置３０に入力され、その検出値に基づいて制御装置３０は、補助電気ヒータ５０のＯＮ−ＯＦＦ制御とＯＮ時の通電制御、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御する。
【００３２】
すなわち、制御装置３０は、設定温度と外気ＯＡの温度（環境温度）との偏差を求め、その偏差が設定値以内（設定温度−環境温度＜２．５℃）であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦとしたまま、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御し、さらに、加湿器２１の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置２７で圧縮機１４の能力を制御し、かつ、その能力で、冷凍サイクルが安定するよう電子膨張弁１７、凝縮器１５への冷却水量を制御するようになっている。また制御装置３０は、設定温度と外気ＯＡの温度（環境温度）との偏差が設定値以外（設定温度−環境温度≧２．５℃）であれば、補助電気ヒータ５０をＯＮとし、その偏差に応じて補助電気ヒータ５０の通電制御を行うと共に、インバータ装置２７の運転周波数、電子膨張弁１７の弁開度（減圧度）、加湿器２１での加湿量、電−空比例制御弁１６の分流比（再加熱量）を制御し、さらに、加湿器２１の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置２７で圧縮機１４の能力を制御し、かつ、その能力で、冷凍サイクルが安定するよう電子膨張弁１７、凝縮器１５への冷却水量を制御するようになっている。
【００３３】
この制御装置３０による再熱制御は、吹出温度センサＳ１の検出値に基づいて、吹出温度を設定温度にすべく電−空比例制御弁１６の電−空変換器３２に電気信号を出力して、再加熱器２０に流れるホットガス量を制御し、湿度センサＳ２の検出値に基づいて、設定湿度となるように加湿器２１での加湿量を制御する。
【００３４】
また、制御装置３０は、蒸発圧力センサＳ３の検出値に基づいて、インバータ装置２７の運転周波数を制御し、冷媒の吸込温度センサＳ４の検出値に基づいて電子膨張弁１７の減圧度を制御し、さらに凝縮圧力センサＳ５の検出値に基づいて、冷却水制御弁３６を制御するようになっている。
【００３５】
この制御装置３０は、蒸発器１９に吸い込む外気ＯＡの状態（温湿度）と、吹き出す空調空気ＳＡの設定温湿度に応じて、先ず、空調空気ＳＡの温湿度が設定値となるように制御し、その制御中の加湿出力を検出し、加湿器２１での加湿量が最小となるように加湿出力制御を行い、その上で冷凍サイクルが安定運転するようにインバータ装置２７、電子膨張弁１７、冷却水制御弁３６を制御する。
【００３６】
この制御装置３０の詳細を図１により説明する。
【００３７】
制御装置３０は、吹出温度制御部４０と吹出湿度制御部４１と冷媒蒸発圧力制御部４２と吸込冷媒温度制御部４３と凝縮圧力制御部４４と、加湿出力制御部４５と、補助電気ヒータ５０の通電制御部５１から構成される。
【００３８】
吹出温度制御部４０は、温度センサＳ１から入力される検出温度ＰＶ１と設定温度ＳＰ１とを比較演算し、その結果に基づいて電−空比例制御弁１６に制御信号ＭＶ１を出力して、再熱制御を行う。
【００３９】
吹出湿度制御部４１は、湿度センサＳ２から入力される検出湿度ＰＶ２と設定湿度ＳＰ２とを比較演算し、その結果に基づいて加湿器２１に制御信号ＭＶ２を出力して、加湿制御を行う。
【００４０】
冷媒蒸発圧力制御部４２は、蒸発圧力センサＳ３から入力される検出圧力ＰＶ３と設定蒸発圧力ＲＳＰ３とを比較演算し、その結果に基づいてインバータ装置２７に制御信号ＭＶ３を出力し、圧縮機１４の運転周波数を可変することで蒸発圧力制御を行う。この場合、冷媒蒸発圧力制御部４２は、圧縮機１４の吸込圧力が、０．４〜０．５４ＭＰａの可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４１】
吸込冷媒温度制御部４３は、冷媒吸込温度センサＳ４から入力される検出吸込温度ＰＶ４と設定吸込温度ＲＳＰ４とを比較演算し、その結果に基づいて電子膨張弁１７に制御信号ＭＶ４を出力して、その開度を可変することで吸込冷媒温度の制御を行う。この場合、吸込冷媒温度制御部４３は、吸込冷媒温度が、１４〜１８℃の可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４２】
凝縮圧力制御部４４は、凝縮圧力センサＳ５から入力される検出圧力と設定凝縮圧力ＲＳＰ５とを比較演算し、その結果に基づいて、冷却水制御弁３６に制御信号ＭＶ５を出力して冷却水量を可変することで、凝縮圧力制御を行う。この場合、凝縮圧力制御部４４は、凝縮圧力が、１．４〜１．６ＭＰａの可変範囲に入るように制御がなされる。
【００４３】
加湿出力制御部４５は、吹出湿度制御部４１の加湿制御信号ＭＶ２を、一次遅れ４段結合処理などにて高次成分をカットするローパスフィルタ４６を通して入力される制御信号ＰＶ６と加湿出力設定値ＳＰ６とを比較演算し、その結果に基づいて、制御出力ＭＶ６を出力し、冷媒蒸発圧力制御部４２には、制御出力ＭＶ６に基づいて変換された設定蒸発圧力ＲＳＰ３が入力され、吸込冷媒温度制御部４３には、同様に設定吸込温度ＲＳＰ４が入力され、凝縮圧力制御部４４には、設定凝縮圧力ＲＳＰ５が入力される。
【００４４】
この加湿出力制御部４５に入力される加湿出力設定値ＳＰ６は、風量センサＳ６で検出された風量値に基づいて決定される。すなわち、風量センサＳ６で検出された風量値が、スケーリング４８に入力され、その風量値に基づいて、スケーリング４８は、その風量範囲中、最大風量時には２５％を、最小風量時には１０％となるよう、その風量範囲で、２５〜１０％の値を選択し、これを加湿出力設定器４９に入力し、加湿出力設定器４９が、これを受けて加湿出力制御部４５に加湿出力設定値ＳＰ６を出力する。
【００４５】
この加湿出力設定値ＳＰ６は、吹出湿度制御部４１での最大加湿量（除湿量をゼロ或いは最小として冷却したときの冷却空気の絶対湿度と空調空気ＳＡの絶対湿度との差）に対する加湿器２１の最大加湿能力の比（最大加湿量／最大加湿能力）であり、これは風量により変化するため、風量センサＳ６とスケーリング４８で、風量に応じて、１０〜２５％の設定値を選択する。
【００４６】
この設定値入力の範囲（１０〜２５％）で、制御出力ＭＶ６は、０〜１００％の値をとる。この０〜１００％の制御出力ＭＶ６に対して、設定蒸発圧力ＲＳＰ３は、０．４〜０．５４ＭＰａの可変範囲で、０〜１００％の値をとり、設定吸込温度ＲＳＰ４は、１４〜１８℃の可変範囲で、０〜１００％の値をとり、設定凝縮圧力ＲＳＰ５は、１．４〜１．６ＭＰａの可変範囲で、０〜１００％の値をとるようにされる。
【００４７】
また、通電制御部５１は、偏差部５２、スケーリング５３、電圧補正部５５とからなり、入力された環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、偏差ΔＴが設定値内であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦのままとし、偏差ΔＴが設定値を超えるときは、その偏差ΔＴに応じて補助電気ヒータ５０への通電制御（供給電圧制御）を行って、その発熱量を制御するようになっている。
【００４８】
この通電制御部５１をさらに詳しく説明する。
【００４９】
環境温度センサＳ７で検出された環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１とが偏差部５２に入力されると、設定温度ＳＰ１に対する環境温度ＰＶ７の偏差（ΔＴ＝ＳＰ１−ＰＶ７）が偏差部５２で求められる。
【００５０】
この偏差部５２は、圧縮機の能力にもよるが、設定温度に対して外気ＯＡの温度（環境温度）の偏差ΔＴが、２．５℃以上あるときにスケーリング５３に、その偏差ΔＴが出力される。スケーリング５３は、偏差部５２から入力された偏差ΔＴ（２．５〜５．０℃）の値に基づいて比例制御出力（２．５℃を０％、５．０℃を１００％とした温度偏差率）をつくると共に、出力の上限と下限を、風量センサＳ６の風力値に基づいて、最大風量から最小風量までスケーリングを行って設定値ＳＰ７を電圧補正部５５に出力する。電圧補正部５５では、入力された設定値ＳＰ７を基に補助電気ヒータ５０の通電量（電圧）を制御するが、この際、補助電気ヒータ５０に印加される電圧が電圧検出部５４で検出され、その電圧値Ｖ７に基づいてフィードバック制御により電圧補正を行って制御信号ＭＶ７をつくりだし、それに基づいて補助電気ヒータ５０の発熱量を制御するようになっている。
【００５１】
この補助電気ヒータ５０の発熱量の制御は、図４に示すようにヒータ最大出力を１００％としたとき、スケーリング５３での設定値ＳＰ７（ヒータ出力）は、
ヒータ出力（％）＝温度偏差率（％）×（実風量／Ｍａｘ風量）
となり、偏差ΔＴが最大偏差（５℃）で、最大風量時には、ヒータ出力が１００％となるよう、また実風量が、最大風量の１／２であれば、５０％（Ｍａｘ×１／２）のヒータ出力となり、２．５℃の偏差率０％まで連続的に変化した値となる。
【００５２】
また、電圧補正５５で出力される制御信号ＭＶ７に基づくヒータ実出力（ｋｗ）は、
ヒータ実出力（ｋｗ）＝ヒータ容量（ｋｗ）×ヒータ出力（％）×電圧補正
となる。
【００５３】
このように、通電制御部５１で、環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、偏差ΔＴが設定値内であれば、補助電気ヒータ５０をＯＦＦのままとし、偏差ΔＴが設定値を超えるときは、その偏差ΔＴに応じてスケーリング５３が温度偏差率と実風量からヒータ出力を求めて、電圧補正５５がヒータ実出力を求めて、補助電気ヒータ５０への通電制御（供給電圧制御）を行って、その発熱量を制御することで、蒸発器１９に流入する空気は、外部の環境温度にかかわらず所定の範囲にされ、以後は冷凍サイクルの蒸発器１９と再加熱器２０による冷却と再加熱で設定温湿度に制御される。
【００５４】
この補助電気ヒータ５０をＯＦＦ状態からＯＮに、或いはＯＮ状態からＯＦＦに切り替える際に、通電制御部５１は、環境温度ＰＶ７と設定温度ＳＰ１から偏差ΔＴを求め、その偏差ΔＴ分の暖房負荷を補助電気ヒータ５０で補うことで、切り替え時に温度制御、湿度制御を乱すことなく精密温湿度制御を行うことが可能となる。
【００５５】
図５は、従来の通電制御と本発明の温度偏差ΔＴに基づく補助電気ヒータ５０の制御と消費電力の関係を示したもので、ａは本発明を、ｂは従来例の制御を示す。
【００５６】
図５に示すように、温度偏差ΔＴが０と最大（５℃）のときには、本発明ａ及び従来例ｂとも消費電力は同じであるが、０〜最大までの間の消費電力は、本発明ａの場合には従来例ｂより斜線に示した領域Ｒ分省エネが達成できる。
【００５７】
次に、本発明の精密温度制御方法で、チャンバ内の設定温度と環境温度（外気温度）変化における補助電気ヒータ５０のＯＮ−ＯＦＦ切り替え時の各温度の経時変化の例を図６、図７に示す。。
【００５８】
図６は、環境温度がチャンバの設定温度（２５℃）に近い温度（約２４℃）から、十分低い温度（約２１℃）まで下がったときを、図７は、環境温度がチャンバの設定温度（２５℃）に対して十分低い温度（約２１℃）から、設定温度に近い温度（約２４℃）まで上昇したときを示している。
【００５９】
図６において、環境温度が約２３．８０℃前後で、設定温度（２５℃）に対する偏差ΔＴが約１．２℃のときには、補助電気ヒータをＯＦＦとして、冷凍サイクルの蒸発器と再加熱器のみで、精密温度制御を行う。この際、チャンバ温度は、２５±０．０１℃に保たれている。この状態で、環境温度が２２．５℃と偏差ΔＴ０ が２．５℃になったときに補助電気ヒータがＯＮとなり、補助電気ヒータの通電制御がなされ、環境温度が２０．８０℃まで下がってもチャンバ温度は、２５±０．０１℃に保たれる。
【００６０】
図６において、環境温度が２０．８０℃と低く、設定温度（２５℃）に対する偏差ΔＴが約４．２℃のとき、補助電気ヒータによる通電制御を行って、チャンバ温度を、２５±０．０１℃に保って精密温度制御を行う。その後、環境温度が上がり、２２．５℃となり偏差ΔＴ０ が２．５℃以下となったときに補助電気ヒータをＯＦＦとして、冷凍サイクルの蒸発器と再加熱器のみで、精密温度制御を行う。
【００６１】
このように、補助電気ヒータのＯＮ−ＯＦＦを切り替え、その切り替え時においても、チャンバ内を精密温湿度制御が行える。
【００６２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、冷凍サイクルに再加熱器を接続し、その再加熱器による加熱と補助電気ヒータとの加熱を併用し、設定温度に対して外気温度の偏差を求め、その偏差に基づいて補助電気ヒータを制御することで、外気の広範な変動に対して、精密温度制御が行えると共に、その切り替え時にも精密な温度精度を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す装置図である。
【図３】本発明の精密温度制御方法及びその装置の一実施の形態を示す冷凍サイクル図である。
【図４】本発明において、温度偏差率に対する補助電気ヒータのヒータ出力と、風量にスケーリングの関係を説明する図である。
【図５】本発明と従来例における温度偏差と消費電力の関係を示す図である。
【図６】本発明において、補助電気ヒータをＯＮとするときの、環境温度とチャンバ温度の経時変化を示す図である。
【図７】本発明において、補助電気ヒータをＯＦＦとするときの、環境温度とチャンバ温度の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 三方比例制御弁
１７ 電子膨張弁
１９ 蒸発器
２０ 再加熱器
２１ 加湿器
２７ インバータ装置
４０ 吹出温度制御部
４１ 吹出湿度制御部
４５ 加湿出力制御部
５０ 補助電気ヒータ
５１ 通電制御部
ＯＡ 外気
ＳＡ 空調空気
Claims (4)
- 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器からなる冷凍サイクルに、圧縮機からのホットガスを導入して凝縮器の入口側に戻す再加熱器を接続し、精密温調すべきチャンバ内に供給する外気を上記蒸発器で冷却し、その冷却した空気を再加熱器を通して加熱すると共に、再加熱器に流れるホットガス量を制御してチャンバへ供給する空調空気を精密温調する精密温度制御方法において、上記再加熱器と別個に補助電気ヒータを設け、チャンバ内の設定温度と上記外気との偏差を求め、その偏差が設定値以上のとき上記補助電気ヒータをＯＮとすると共に偏差に応じて補助電気ヒータの発熱量を制御することを特徴とする精密温度制御方法。
- 補助電気ヒータが、蒸発器の外気導入側に設けられ、外気温度と設定温度の偏差が設定値以上のときに補助電気ヒータをＯＮとし、その偏差に応じて補助電気ヒータを通電制御し、偏差が設定値以下のとき補助電気ヒータをＯＦＦとする請求項１記載の精密温度制御方法。
- 圧縮機がインバータ装置で能力可変に制御され、設定温度と空調空気の温度に基づいて再加熱器へのホットガス量を制御して加熱量を制御すると共にその空調空気が設定湿度となるように加湿器での加湿量を制御し、その加湿器の制御出力が最小の加湿量となるようにインバータ装置で圧縮機の能力を制御するようにした請求項１又は２記載の精密温度制御方法。
- インバータ装置で駆動される圧縮機、三方比例制御弁、冷却水で冷媒を凝縮させる凝縮器、電子膨張弁、蒸発器を順次接続し、上記三方比例制御弁に、圧縮機から三方比例制御弁を介して分流されたホットガスを導入する再加熱器を接続し、その再加熱器の出口側を凝縮器の入口側に接続して冷凍サイクルを構成し、上記外気を冷却する蒸発器の吹出側に上記再加熱器を設置し、圧縮機からのホットガスの一部を再加熱器に導入し、そのホットガスで、蒸発器で冷却された空気を再加熱すると共にその再加熱された空気を加湿器で加湿して温湿度制御された空調空気とするに際して、蒸発器の外気導入側に設けられた補助電気ヒータと、設定温度と空調空気の温度に基づいて三方比例制御弁の分流比を制御する吹出温度制御部と、設定湿度と空調空気の湿度から加湿器での加湿量を制御する吹出湿度制御部と、その加湿器への制御出力と予め最小の加湿量となるように加湿出力設定値とが入力され、これに基づいてインバータ装置の運転周波数、電子膨張弁の開度、凝縮器への冷却水量を制御するための制御出力をつくり出す加湿出力制御部と、設定温度と外気温度との偏差を求め、その偏差で、上記補助電気ヒータをＯＮ−ＯＦＦ制御すると共に補助電気ヒータのＯＮ時にその補助電気ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備えたことを特徴とする精密温度制御装置。
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