JP2005172312A - 空調設備 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で温度を制御することのできる空調設備を提供する。
【解決手段】空調設備１０は、環境チャンバ１２に供給するエアの温度を、空調機１８、第１温度制御ユニット３０、及び第２温度制御ユニット４０によって制御する。第１温度制御ユニット３０は、第１温度センサ３４の測定値に基づいて第１ヒータ３２を制御し、第２温度制御ユニット４０は、第２温度センサ４４の測定値に基づいて第２ヒータ４２を制御する。第１温度センサ３４と第２温度センサ４４は異なる種類のものが使用される。例えば、第１温度センサ３４としてサーミスタが使用され、第２温度センサ４４として水晶温度計が使用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調設備に係り、特に、レーザ干渉計等の精密計測機器が設置される環境チャンバの温度を制御する空調設備に関する。

近年の半導体製造用クリーンルームの精密環境チャンバ室は、半導体の大規模集積化に伴い、室内の温度管理が厳しく要求されている。特に、実際に検査解析作業を行なう空間では、検査解析精度を上げるために室温の変動を±１／１０００度以下に抑えることが要求されている。このため、精密環境チャンバ室用の空調設備においては、高精度な温度管理が実施されている。

特許文献１には、エアが通過するコイルの下流側に温度センサが設けられた空調機が記載されている。この空調機によれば、温度センサの測定値に応じてコイルに供給する熱媒体の流量を調節することによって、給気エアの温度を所定の温度に制御することができる。
特開平１１−１７３６３１号公報

しかしながら、特許文献１は、選択される温度センサの種類によって温度制御の特性が変化するという問題があり、即答性と確度の両面で高い精度の温度制御を行うことができないという不具合があった。例えば、温度センサとして、サーミスタのように応答性の良いものを用いた場合には、応答性の高い温度制御を行うことができるが、長時間では温度が変動し、確度の高い温度制御を行うことができないという問題があった。また、温度センサとして、水晶温度計のように確度の良いものを用いた場合には、高い確度の温度制御を行うことができるが、迅速な温度変動に対応することができず、即答性の高い温度制御を行うことができないという問題があった。したがって、特許文献１は、±１／１０００度以下という非常に厳しい精度では温度を制御することができないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高い精度で温度を制御することのできる空調設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は前記目的を達成するために、エアの温度を可変する温度可変装置と、該温度可変装置で可変されたエアの温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサの測定値に応じて前記温度可変装置を制御する温度制御ユニットを用いた空調設備において、前記温度制御ユニットはエアの流れ方向に沿って複数設けられ、該複数の温度制御ユニットには、異なる種類の温度センサが用いられることを特徴としている。

請求項１に記載の空調設備によれば、温度センサの種類が異なる複数の温度制御ユニットがエアの流れ方向に沿って配設されるので、各温度制御ユニットにおいて異なる特性の温度制御が行われる。すなわち、温度制御ユニットの制御特性は、温度センサの特性に大きく依存するので、各温度制御ユニットで異なる種類の温度センサを用いることによって、異なる特性の温度制御を行うことができる。したがって、例えば、応答性の良い温度センサを用いた温度制御ユニットと、確度の高い温度センサを用いた温度制御ユニットとを組み合わせると、応答性と確度の両面で高い精度の温度制御を行うことができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記エアの流れ方向に対して上流側に設けられた前記温度センサは、下流側の前記温度センサよりも応答性が高く、前記下流側の温度センサは前記上流側の温度センサよりも確度が高いことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は請求項２の発明において、前記上流側の温度センサとしてサーミスタが使用され、前記下流側の温度センサとして水晶温度計が使用されることを特徴としている。

本発明に係る空調設備によれば、温度センサの種類が異なる複数の温度制御ユニットがエアの流れ方向に沿って配設されるので、各温度制御ユニットにおいて異なる制御特性が得られ、温度制御の精度を向上させることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る空調設備の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、第１の実施形態の空調設備１０の構成を示す模式図である。

図１に示すように、空調設備１０は環境チャンバ１２を有し、この環境チャンバ１２の内部にレーザ干渉計等の精密計測機器（不図示）が配設される。環境チャンバ１２は、排気ダクト１４を介して外気に連通され、この排気ダクト１４を介して環境チャンバ１２内のエアの一部が排気される。

また、環境チャンバ１２は、吸込ダクト１６を介して空調機１８の吸込口１８Ａに連通される。空調機１８の内部にはファン２０が設けられ、このファン２０を駆動することによって、環境チャンバ１２内のエアが吸込ダクト１６を介して空調機１８に吸い込まれる。また、空調機１８の吸込口１８Ａには、外気取り入れダクト２２が接続され、この外気取り入れダクト２２を介して、外気が空調機１８の内部に取り入れられる。なお、空調機１８に取り入れられる外気の風量は、排気ダクト１４から排気されるエアの風量に応じて調節される。

空調機１８の内部には冷却コイル２４が設けられる。この冷却コイル２４には、不図示の冷水供給源から供給された冷水が循環するようになっている。したがって、空調機１８に吸い込まれたエアは、冷却コイル２４によって所定の温度（具体的には、目標とする温度よりも若干低い温度）まで冷却される。

空調機１８の吹出口１８Ｂには、吹出ダクト２６が接続される。この吹出ダクト２６には、第１温度制御ユニット３０、第２温度制御ユニット４０が順に配設されており、吹出ダクト２６の先端は環境チャンバ１２に接続されている。

第１温度制御ユニット３０は、第１ヒータ３２、第１温度センサ３４、指示調節器３６、及びサイリスタ３８で構成される。第１ヒータ３２は、吹出ダクト２６を通過するエアを加熱する構成であればよく、例えば、電熱ワイヤに通電することによってエアを加熱する電気ヒータが用いられる。第１温度センサ３４は、第１ヒータ３２のすぐ下流側の吹出ダクト２６内に配設され、この第１温度センサ３４によって第１ヒータ３２を通過したエアの温度が測定される。第１温度センサ３４は、指示調節器３６を介してサイリスタ３８に接続され、このサイリスタ３８によって第１ヒータ３２に供給される電源の電圧が制御される。これにより、第１温度センサ３４の測定値に基づいて第１ヒータ３２がフィードバック制御され、第１ヒータ３２を通過するエアの温度が制御される。

第２温度制御ユニット４０は、第１温度制御ユニット３０の下流側に配置され、第２ヒータ４２、第２温度センサ４４、指示調節器４６、及びサイリスタ４８で構成される。第２ヒータ４２は、吹出ダクト２６を通過するエアを加熱する構成であればよく、例えば、第１ヒータ３２と同じ構成、規格のものが使用される。第２温度センサ４４は、第２ヒータ４２のすぐ下流側の吹出ダクト２６内に配設され、この第２温度センサ４４によって第２ヒータ４２を通過したエアの温度が測定される。第２温度センサ４４は、指示調節器４６を介してサイリスタ４８に接続され、このサイリスタ４８によって第２ヒータ４２に供給される電源の電圧が制御される。これにより、第２温度センサ４４の測定値に基づいて第２ヒータ４２がフィードバック制御され、第２ヒータ４２を通過するエアの温度が制御される。

このように空調機１８から吹き出されたエアは、まず第１温度制御ユニット３０によって第１段目の温度制御が施され、次いで第２温度制御ユニット４０によって第２段目の温度制御が施される。こうして二段階の温度制御が施された空調エアは、吹出ダクト２６を介して環境チャンバ１２に供給される。環境チャンバ１２内のエアは、前述したように吸込ダクト１６を介して空調機１８に吸い込まれ、そして、空調器１８、第１温度制御ユニット３０、及び第２温度制御ユニット４０で温度制御された後、環境チャンバ１２内に吹き出される。これにより、環境チャンバ１２内を空調エアが循環し、環境チャンバ１２内の温度が制御される。

ところで、上述した第１温度センサ３４と第２温度センサ４４とでは、種類の異なるセンサ（換言すると、特性の異なるセンサ）が使用される。第１温度センサ３４としては応答性のよいものが好ましく、第２温度センサ４４としては、確度のよいものが好ましい。例えば、第１温度センサ３４としてはサーミスタが使用され、第２温度センサ４４としては水晶温度計が使用される。

次に上記の如く構成された空調設備１０の作用について比較例１、２をあげて説明する。

図５は比較例１の空調設備１００の構成を示す模式図である。

同図に示す空調設備１００は、図１に示す空調設備１０と比較して、第２温度制御ユニット４０がなく、第１温度制御ユニット３０のみが設けられた構成になっている。すなわち、比較例１の空調設備１００は、第１温度センサ３４の測定値に基づいて温度制御を行った空調エアを環境チャンバ１２に供給している。以下、空調設備１００で温度制御した場合を「センサ１制御」と称す。

図６は比較例２の空調設備２００の構成を示す模式図である。

同図に示す空調設備２００は、図５に示す空調設備１００と比較して、第１温度制御ユニット３０の代わりに第２温度制御ユニット４０が設けられている。すなわち、比較例２の空調設備２００は、第２温度センサ４４の測定値に基づいて温度制御を行った空調エアを環境チャンバ１２に供給している。以下、空調設備２００で温度制御した場合を「センサ２制御」と称す。

図７は、センサ１制御とセンサ２制御の制御例を示している。同図において「制御前」は温度制御を行う前のエアの温度変動を示している。

図７に示すように、センサ１制御では、制御前の温度変動のうち、細かな変動分（すなわち、高い周波数の変動分）を取り除くことができる。これは、応答性の良い第１温度センサ３４を用いているためであり、高い周波数の変動分を検出して除去することができるからである。しかし、センサ１制御では、長時間での温度変動が発生しており、非常に低い周波数の変動分が除去されずに残っている。

一方、センサ２制御では、制御前の温度変動のうち、緩やかな変動分（すなわち、低い周波数の変動分）を取り除くことができる。これは、確度の高い第２温度センサ４４を用いているためであり、長時間での温度変動を検出して除去することができるからである。しかし、センサ２制御は、第２温度センサ４４の応答性が低いため、高い周波数の変動分を取り除くことができない。

図８は、温度変動の周波数解析を行った結果であり、温度変動の周波数に対して温度変動の強度（大きさ）を示している。同図において、点線は、制御前の温度変動の一般的な例を示したものであり、周波数が低いものほど強度が大きく、周波数が高いものほど強度が小さくなっている。

図８からも分かるように、センサ１制御は、高い周波数域αにおいて温度変動を取り除くことができ、温度変動の強度を小さくできることが分かる。また、センサ１制御では、低い周波数域βにおいて温度変動を十分に取り除くことができず、温度変動の強度が大きいままである。

一方、センサ２制御は、低い周波数域βにおいて温度変動を取り除くことができ、温度変動の強度を小さくできる。また、センサ２制御では、高い周波数域αにおいて、温度変動を十分に取り除くことができず、温度変動の強度が大きいまま残っている。

以上の結果により、センサ１制御では、第１温度センサ３４の特性の影響を受けるため、低い周波数の温度変動を取り除くことができず、センサ２制御では、第２温度センサ４４の特性の影響を受けるため、高い周波数の温度変動を取り除くことができない。したがって、どちらの場合も、温度変動を十分に取り除くことができず、応答性と確度の両面で高い精度の温度制御を行うことはできない。

これに対し、図１に示した本実施の形態の空調設備１０では、低い周波数の温度変動も、高い周波数の温度変動も取り除くことができ、精度の良い温度制御を行うことができる。

図２は、空調設備１０を用いて温度制御を行った場合の制御例を示している。同図において「１段目制御」は第１温度制御ユニット３０で温度制御した後のエアの温度変動を示しており、「２段目制御」は第２温度制御ユニット４０で温度制御した後のエアの温度変動を示している。なお、図２において「２段目制御目標値」は最終の制御目標値であり、「１段目制御目標値」はそれよりも僅かに低い温度である。

図２に示すように、１段目制御では、比較例１のセンサ１制御と同様に、制御前の温度変動のうち、高い周波数の変動分は除去することができるが、低い周波数の変動分は除去することができない。

一方、２段目制御では、高い周波数の変動分だけでなく、低い周波数の変動分も除去されている。これは、２段目制御で確度の高い第２温度センサ４４を用いているためであり、１段目制御で除去されずに残った低い周波数の変動分を第２温度センサ４４で検出して取り除くことができるからである。なお、２段目制御の際、高い周波数の変動分は、１段目制御で既に取り除かれている。したがって、２段目制御後は、高い周波数の変動分、及び低い周波数の変動分の両方が取り除かれる。これにより、２段目制御目標値に対して非常に精度の良い温度制御を行うことができる。

図３は、温度変動の周波数解析を行った結果であり、温度変動の周波数に対して温度変動の強度を示している。

図３からも分かるように、１段目制御は、高い周波数の温度変動を取り除くことができ、高い周波数において温度変動の強度を十分小さくすることができる。そして、１段目制御で残った低い周波数の温度変動を、２段目制御によって十分に取り除くことができ、全周波数域において温度変動の強度を十分に小さくすることができる。

このように本実施の形態の空調設備１０によれば、第１温度制御ユニット３０と第２温度制御ユニット４０を設けて２段階の温度制御を行うとともに、第１温度センサ３４と第２温度センサ４４とで種類の異なる温度センサを用いたので、両方のセンサによって検出された温度変動を除去することができ、精度の高い温度制御を行うことができる。特に本実施の形態では、応答性の良い第１温度センサ３４と、確度の高い第２温度センサ４４を併用したので、応答性と確度の両面で高い精度の温度制御を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、第１温度センサ３４としてサーミスタを用い、第２温度センサ４４として水晶温度計を用いたが、第１温度センサ３４、第２温度センサ４４の組み合わせは、特性の異なる温度センサの組み合わせであればよく、例えば第１温度センサ３４として白金の測温抵抗体を用いてもよい。また、各種の熱電対や測温抵抗体、サーモバイル、ＩＣ温度センサ、磁性温度センサ、ＮＱＲ（核四重極共鳴）温度センサ、超音波温度センサ等、その他の温度センサをを組み合わせて使用してもよい。

図４は第２の実施形態の空調設備の構成を示す模式図である。

同図に示す空調設備は、図１に示した空調設備１０と比較して、第３温度制御ユニット５０が設けられている点で異なっている。第３温度制御ユニット５０は、第２温度制御ユニット４０の下流側に配設されている。また、第３の温度制御ユニット５０は、第１温度制御ユニット３０や第２温度制御ユニット４０と同様に構成されており、第３ヒータ５２、第３温度センサ５４、指示調節器５６、及びサイリスタ５８で構成される。第３ヒータ５２は、吹出ダクト２６を通過するエアを加熱する構成であればよく、例えば、第１ヒータ３２や第２ヒータ４２と同じ構成、同じ規格のものが使用される。第３温度センサ５４は、第３ヒータ５２のすぐ下流側の吹出ダクト２６内に配設され、この第３温度センサ５４によって第３ヒータ５２を通過したエアの温度が測定される。第３温度センサ５４としては、第１温度センサ３４や第２温度センサ４４と異なる種類のもの、例えば白金の測温抵抗体が使用される。また、第３温度センサ５４は、指示調節器５６を介してサイリスタ５８に接続され、このサイリスタ５８によって第３ヒータ５２に供給される電源の電圧が制御される。これにより、第３温度センサ５４の測定値に基づいて第３ヒータ５２がフィードバック制御され、第３ヒータ５２を通過するエアの温度が制御される。

上記の如く構成された第２の実施形態の空調設備によれば、第１温度制御ユニット３０及び第２温度制御ユニット４０で温度制御されたエアを、第３温度制御ユニット５０によって、第１温度センサ３４や第２温度センサ４４と異なる特性の第３温度センサ５４の測定値に基づいて温度を制御したので、第１温度制御ユニット３０や第２温度制御ユニット４０では除去できない温度変動を除去することができ、温度制御の精度をさらに向上させることができる。

なお、上述した第２の実施形態において、第１温度制御ユニット３０、第２温度制御ユニット４０、第３温度制御ユニット５０を配置する順序は特に限定するものではないが、温度センサの応答性の良いものから順に、エアの流れる方向に配置することが好ましい。

また、上述した第２の実施形態は、第１温度センサ３４、第２温度センサ４４、及び第３温度センサ５４を全て異なる種類の温度センサとしたが、二種類以上の温度センサを用いていれば本発明の効果を得ることができる。ただし、二つの温度制御ユニットで同じ種類の温度センサを用いた場合には、温度可変装置（ヒータ等）の種類を変えるとよい。例えば、一方の温度制御ユニットにおいて電気ヒータを用い、他方の温度制御ユニットにおいてハロゲンランプ等を点滅させて加熱を行う電球ヒータを用いてもよい。この場合には、温度可変装置の差によって温度制御の特性が異なる複数の温度制御ユニットを組み合わせることになるので、温度制御の精度をさらに向上させることができる。

なお、上述した第２の実施形態は、温度制御ユニットの数を三個としたが、四個以上の温度制御ユニットを設けてもよい。この場合にも、二種類以上の温度センサを用いることによって温度精度を向上させることができる。そして、全ての温度センサで異なる種類のものを使用することによって、精度をより向上させることができる。

なお、上述した第１、第２の実施形態では、温度可変装置によってエアを加熱する例で説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、エアを多段階で冷却する空調設備にも適用することができる。

第１の実施形態の空調設備の構成を示す模式図 本実施例における制御結果を示す説明図 図２の温度変動の周波数解析結果を示す説明図 第２の実施形態の空調設備の構成を示す模式図 比較例１の空調設備の構成を示す模式図 比較例２の空調設備の構成を示す模式図 比較例１及び２における制御結果を示す説明図 図７の温度変動の周波数解析結果を示す説明図

符号の説明

１０…空調設備、１２…環境チャンバ、１４…排気ダクト、１６…吸込ダクト、１８…空調機、２０…ファン、２２…外気取り入れダクト、２４…冷却コイル、２６…吹出ダクト、３０…第１温度制御ユニット、３２…第１ヒータ、３４…第１温度センサ、３６…指示調節器、３８…サイリスタ、４０…第２温度制御ユニット、４２…第２ヒータ、４４…第２温度センサ、４６…指示調節器、４８…サイリスタ、５０…第３温度制御ユニット、５２…第３ヒータ、５４…第３温度センサ、５６…指示調節器、５８…サイリスタ

Claims (3)

1. エアの温度を可変する温度可変装置と、該温度可変装置で可変されたエアの温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサの測定値に応じて前記温度可変装置を制御する温度制御ユニットを用いた空調設備において、
   前記温度制御ユニットはエアの流れ方向に沿って複数設けられ、
   該複数の温度制御ユニットには、異なる種類の温度センサが用いられることを特徴とする空調設備。
2. 前記エアの流れ方向に対して上流側に設けられた前記温度センサは、下流側の前記温度センサよりも応答性が高く、前記下流側の温度センサは前記上流側の温度センサよりも確度が高いことを特徴とする請求項１に記載の空調設備。
3. 前記上流側の温度センサとしてサーミスタが使用され、前記下流側の温度センサとして水晶温度計が使用されることを特徴とする請求項２に記載の空調設備。

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