JP2009174746A - クリーンルーム用の給気温度制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】クリーンルームに適した温度制御システムで、複雑な機構を設置する必要がなく、運転時に余分なエネルギを使う必要のない省コスト、省エネルギの給気温度制御システムを提供する。
【解決手段】クリーンルームに向けて空気を循環させる循環ファンにその回転数を制御するインバータを付設する。給気温度センサとインバータとの間に第１の温度コントローラを接続し、レターン空気温度センサと冷水制御弁との間に第２の温度コントローラを接続する。給気温度センサからの信号を受けて第１の温度コントローラがインバータの回転数を制御することにより循環ファンの風量を調節し、レターン空気温度センサからの信号を受けて第２の温度コントローラが冷水制御弁の開度を制御することにより冷水供給量を調節し、クリーンルーム内の空気の温度をほぼ一定に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体や医薬品の製造ラインにおいて必須とされるクリーンルームの空調システムの改良に関し、特にクリーンルーム室内における温度変動をきわめて小さく保つことを可能にする給気温度制御システムに係るものである。

本発明における温度制御は、主として給気温度一定制御で高い温度安定度を要求されるクリーンルーム（ＣＲ）を対象とする。例えば、半導体工場等の精密加工・精密検査を行う生産プロセスにおいて、精密機械が設置されるような清浄度の高いクリーンルームなどである。それらの多くは、主に冷房運転のみのケースが多いので、以下は冷房運転のみの場合について記述するが、暖房運転を含む場合についても同様に適用できるものである。

クリーンルーム内の温度変動をプラスマイナス０．１℃から１℃程度の範囲内に収まるように制御する従来技術としては、クリーンルーム内に供給する空気を冷却手段により冷却した後で再熱手段を用いて再加熱する方法が広く知られている。しかしながら、この方式では、ヒータの設置（イニシャル）コストが増えることと、再熱するために、冷却は過冷却が必要となり、ランニングコストも上昇するという難点があった。

特開平１０−２８１５３２「空調装置」には、冷水二重ループを組み込んだダブルブリードイン方式の空調システムが示され、プラスマイナス０．０５℃程度の室温変動幅を可能にしたとあるが、従来技術による再熱方式と同様に空調システムが複雑化し、設備コスト及びランニングコストの増大が懸念される。

特開２００５−９８５８９「恒温制御ユニット」では、多孔通路部材から成る蓄熱体を用いることにより、恒音チャンバに供給される空気の温度変動をプラスマイナス０．００１℃以下にできるとしている。

最近の微細加工技術の進歩に伴いクリーンルームの清浄度及び温度安定性に対する要求はますます高くなってきている。そこで、本発明の主たる目的は、クリーンルーム室内での温度変動幅を極めて小さくすることを可能にする給気温度制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、複雑な機構を設置する必要がなく、しかも運転時に余分なエネルギを使う必要のない省コスト、省エネルギの給気温度制御システムを提供することにある。

本発明による給気温度制御システムは、従来の制御システムと同様に次のような基本構成を備える。
Ａ クリーンルームに向けて温度制御された空気を循環させる空調ダクトと、循環ファンと、冷却コイルから成る空調ユニットとを包含する空調ダクト系
Ｂ 冷却コイルへ冷水を供給する冷水配管と、冷水ポンプと、冷水供給量を調節する冷水制御弁とを包含する冷水配管系
Ｃ クリーンルームへの給気温度センサと、クリーンルームからのレターン空気温度センサと、制御用コントローラとを包含する温度制御系。

上述の基本構成に加え、前述した課題を解決するため、本発明のシステムでは、前記循環ファンにその回転数を制御するインバータを付設し、前記給気温度センサと前記インバータとの間に第１の温度コントローラを接続し、前記レターン空気温度センサと前記冷水制御弁との間に第２の温度コントローラを接続し、前記給気温度センサからの信号を受けて前記第１の温度コントローラが前記インバータの回転数を制御することにより前記循環ファンの風量を調節し、前記レターン空気温度センサからの信号を受けて前記第２の温度コントローラが前記冷水制御弁の開度を制御することにより冷水供給量を調節し、クリーンルーム内の空気の温度をほぼ一定に制御するようになっている。

ここでインバータの特性について説明する。温度制御における制御性の良否を左右する要素のひとつとして、操作部（制御機器）の応答性、動作特性などが重要である。一般的に使用されている冷水制御弁は、全開から全閉までの動作時間が長いので、温度を検知してから操作部（制御機器）が作動を開始し所定の状態（開度）になるまでに時間がかかる。その結果、制御ポイントの温度は設定温度に対して上下に変動し、安定した温度制御を達成しにくい。流量特性や分解能によっても制御性に影響があると考えられる。また、再熱電気ヒータ制御においては、一般的に応答性は制御弁より速いが、ダクト断面上の温度分布に影響を与え、制御ポイントの温度安定性に影響を与える。これに対し、インバータは動作（加速・減速）時間が制御弁に比べて短く、すなわち応答性が速く、加速・減速時間と出力周波数（風量）の関係はほぼ比例してリニアであるので、制御性が良い。従って、比較的周期が短く変動幅の小さい温度変動を制御し、安定した温度を実現する手段としてインバータは有効である。

ファンインバータを用いた制御自体は、従来から負荷変動に応じた送風量制御を行うための省エネルギ手段として用いられていたが、従来の使用方法では、熱負荷が減少する時には空気（給気）温度が低下するので風量が低下し、熱負荷が増大する時には空気（給気）温度が上昇するので風量が増大するようになっていた。本発明のシステムでは、給気温度センサからの信号を用いてインバータの回転数を制御して循環ファンの風量を調節し、レターン空気温度センサからの信号を用いて冷水制御弁で冷水流量を調節するので、従来とは異なる制御方法を採用しており、微小な給気温度変動を吸収・緩和することができることになる。

前述した構成に基づき、本発明によれば、以下の利点が得られることが後述する実験結果から確かめられた。
（１）プラスマイナス０．０１℃程度の微小な温度範囲内での給気温度安定性を実現することができる。
（２）再熱ヒータ制御がないので、省コスト・省エネルギとなり、電磁波の影響を回避することができる。
（３）冷水系はダブルブリードインポンプを必要とせず、シングルブリードインポンプで充分なので省コスト・省エネルギとなる。
（４）構成部品に特殊仕様のものを必要とせず、仕様の詳細が明確な一般部品を利用できるので汎用性に富む。
（５）インバータの特性を活かして、クリーンルーム以外の用途への応用を図ることが可能になる。
以下、添付図面の実施例を参照しながら、本発明についてさらに詳述する。

図１は、本発明によるクリーンルーム用の給気温度制御システムの好適な実施態様の一例を表しており、従来の給気温度制御システムと同様に、
Ａ クリーンルーム１０に向けて温度制御された空気を循環させる空調ダクト１２と、循環ファン１４と、冷却コイル１６から成る空調ユニット１８とを包含する空調ダクト系と、
Ｂ 冷却コイル１６へ冷水を供給する冷水配管２２と、冷水ポンプ２６と、冷水供給量を調節する冷水制御弁２８，３０とを包含する冷水配管系と、
Ｃ クリーンルームへの給気温度センサ３２と、クリーンルームからのレターン空気温度センサ３４と、制御用コントローラ３６，３８とを包含する温度制御系とを備えている。

さらに、本発明の特徴に従い、循環ファン１４にその回転数を制御するインバータ２０が付設され、給気温度センサ３２とインバータ２０との間に第１の温度コントローラ３６が接続され、レターン空気温度センサ３４と冷水制御弁２８，３０との間に第２の温度コントローラ３８が接続され、給気温度センサ３２からの信号を受けて第１の温度コントローラ３６がインバータ２０の回転数を制御することにより循環ファン１４の風量を調節し、レターン空気温度センサ３４からの信号を受けて第２の温度コントローラ３８が冷水制御弁２８，３０の開度を制御することにより冷水供給量を調節し、クリーンルーム内の空気の温度を高精度でほぼ一定に制御するようになっている。ただし、冷水流量・温度変動・循環風量などの条件により、給気温度の安定度は異なる。

図１の制御システムには、さらに、冷水を空調ユニット１８へと直接供給するブリードインポンプ２４（シングルブリードイン）、この制御システムに外部からの冷水を供給する配管に設置される熱交換器４０、冷水の導入温度（ＴＥ１）を検出するための温度センサ４２、熱交換がなされた後の冷水の温度（ＴＥ２）を検出するための温度センサ４４、この温度センサ４４からの信号を受け取る温度コントローラ５２、温度コントローラ５２からの信号を受けて熱交換器４０からの出口水量を制御する制御弁５０、空調ユニット１８への冷水導入温度（ＴＥ３）を検出するための温度センサ４６などが配置されている。

なお、最初に述べたように、図１以下のシステムフローは代表的な冷房運転のみの場合について例示しており、暖房運転を含む場合についても同様に適用できるものである。クリーンルームの熱負荷は、生産機器稼働中はほぼ一定とする。冷水配管系は、中間熱交換器を設置し、熱源冷水（１次側）の変動の影響を直接受けないようにする。冷水配管系は（シングル）ブリードイン方式とし、冷水コイルに対しては定流量とする。

図１の給気温度制御システムの制御方法について説明する。図１の回路図に示すように、本システムにおける制御では、クリーンルーム熱負荷を生産機器の運転時はほぼ一定とみなし、クリーンルーム１０への給気温度（ＴＥ４）とレターン空気温度（ＴＥ５）の制御温度を設定する。まず給気温度（ＴＥ４）を検知して、制御温度設定値（例えば２３．０００℃）になるように第１の温度コントローラ３６（ＴＩＣ４）を介してファンインバータ出力、すなわち循環ファン１４から送出される風量を制御する。一方、レターン空気温度（ＴＥ５）を検知して、制御温度設定値（例えば２３＋α℃）になるように、第２の温度コントローラ３８（ＴＩＣ５）を介して冷水制御弁２８，３０の開度を制御し、冷水コイルユニット（空調ユニット）１８の入口の冷水温度（ＴＥ３）を調節する。これら２つの制御系のうち、後者はおもに比較的大きくて緩慢な温度変動に対する制御として従来から使用されている方法であり、前者は後者で追従しきれない微小な温度変動に対して効果を発揮する方法である。本システムではこれら２つの制御系が補完しあって高精度な温度制御を実現可能とした。

また、通常の省エネ手段として用いられるファンインバータ制御では負荷変動に応じて送風量の制御を行う。すなわち、熱負荷減少時にはレターン空気（及び給気）温度が低下して風量が低下し、熱負荷増大時にはレターン空気（及び給気）温度が上昇して風量が増大するが、本システムでは、給気温度が低下すると風量が増大し、給気温度が上昇すると風量が減少することで、微小な給気温度変動を吸収・緩和することができることになる。

本発明による給気温度制御システムが、従来の温度制御方式と比較してどの程度有効であるかを実験によって確認した。
図２は、比較のために図１と同様の回路配置とし、空調ダクト系に再熱ヒータ６０、温度センサ６２、温度コントローラ６４を挿入して構成した再熱制御システムを表している。
図３は、比較のために図１と同様の回路配置とし、循環ファン１４の風量を一定に保つように構成した風量一定制御システムを表している。
図１の例では、第１の温度コントローラ３６はインバータ２０に接続されているが、図２の例では再熱ヒータ６０に接続され、図３の例では制御弁２８，３０に接続されている点に留意されたい。

図４は本発明のシステムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ、図５は本発明のシステムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ、図６は本発明のシステムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ、図７は本発明のシステムにおける供給風量の変化を表すグラフである。

図８は再熱制御システムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ、図９は再熱制御システムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ、図１０は再熱制御システムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ、図１１は再熱制御システムにおける供給風量の変化を表すグラフである。

図１２は風量一定制御システムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ、図１３は風量一定制御システムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ、図１４は風量一定制御システムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ、図１５は風量一定制御システムにおける供給風量の変化を表すグラフである。

以上のデータから、熱源水（１次冷水）温度（ＴＥ１）に熱的外乱としてプラスマイナス１℃程度の周期的変動を与えた場合、その変動幅は、冷水コイル入口冷水温度（ＴＥ３）において減少するが、温度制御方式による差はあまり見られない。しかし、図６、図１０、図１４から理解されるように、クリーンルーム給気温度（ＴＥ４）においては温度制御方式の違いにより温度変動幅に明らかに違いが生じており、本発明による方式が最も安定した温度制御を実現していることがわかる。

本発明の応用可能性として、インバータの応用例について説明する。参考仕様例として、
（１）制御弁；口径２Ｂ以下、動作時間４５秒（５０Ｈｚ）、レンジアビリティ５０：１、イコールパーセント特性（自動制御用語）
（２）インバータ；７．５ＫＷ以下、加速時間５秒、減速時間１０秒、を実現することができる。
（３）他への適用
このインバータ制御を冷水ポンプにも適用すれば冷水供給温度の微小変動を制御できることになる。

以上詳細に説明した如く、本発明によれば、プラスマイナス０．０１℃程度の微小な温度範囲内での給気温度安定性を実現することができ、再熱ヒータ制御がないので、省コスト・省エネルギとなり、電磁波の影響を回避することができ、冷水系はシングルブリードインポンプで充分なので省コスト．省エネルギとなり、構成部品に特殊仕様のものを必要とせず、仕様の詳細が明確な一般部品を利用することができ、インバータの特性を活かして、クリーンルーム以外の用途への応用を図ることが可能になるなど、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

本発明によるクリーンルーム用給気温度制御システムの回路図。 本発明と同一条件による再熱制御システムの回路図。 本発明と同一条件による風量一定制御システムの回路図。 本発明のシステムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ。 本発明のシステムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ。 本発明のシステムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ。 本発明のシステムにおける供給風量の変化を表すグラフ。 再熱制御システムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ。 再熱制御システムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ。 再熱制御システムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ。 再熱制御システムにおける供給風量の変化を表すグラフ。 風量一定制御システムにおける１次冷水温度の変化を表すグラフ。 風量一定制御システムにおける冷水コイル入口の冷水温度の変化を表すグラフ。 風量一定制御システムにおけるクリーンルーム給気温度の変化を表すグラフ。 風量一定制御システムにおける供給風量の変化を表すグラフ。

符号の説明

１０ クリーンルーム １２ 空調ダクト
１４ 循環ファン １６ 冷却コイル
１８ 空調ユニット ２０ インバータ
２２ 冷水配管 ２４，２６ 冷水ポンプ
２８，３０ 冷水制御弁 ３２ 給気温度センサ
３４ レターン空気温度センサ ３６，３８ 温度コントローラ

Claims (1)

1. クリーンルームに向けて温度制御された空気を循環させる空調ダクトと、循環ファンと、冷却コイルから成る空調ユニットとを包含する空調ダクト系と、
   前記冷却コイルへ冷水を供給する冷水配管と、冷水ポンプと、冷水供給量を調節する冷水制御弁とを包含する冷水配管系と、
   クリーンルームへの給気温度センサと、クリーンルームからのレターン空気温度センサと、制御用コントローラとを包含する温度制御系とを備えて成るクリーンルーム用の給気温度制御システムにおいて、
   前記循環ファンにその回転数を制御するインバータを付設し、
   前記給気温度センサと前記インバータとの間に第１の温度コントローラを接続し、
   前記レターン空気温度センサと前記冷水制御弁との間に第２の温度コントローラを接続し、
   前記給気温度センサからの信号を受けて前記第１の温度コントローラが前記インバータの回転数を制御することにより前記循環ファンの風量を調節し、
   前記レターン空気温度センサからの信号を受けて前記第２の温度コントローラが前記冷水制御弁の開度を制御することにより冷水供給量を調節し、
   クリーンルーム内の空気の温度をほぼ一定に制御することを特徴とするクリーンルーム用の給気温度制御システム。

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