JP2009198141A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけバイパスファクタを小さくすることを意図した熱交換装置において、通過後の空気温度の空間的なばらつきを低減する。
【解決手段】流入流路３０ａから流入した空気を、複数の温調エレメント５０との熱交換を通じて温調して流出させる熱交換装置。温調エレメントが空気の流れ方向および当該方向に対して横断する方向に分布配置されているとともに、１つのエレメントグループ５２、５３、５４に複数の温調エレメントが含まれるようにグループ分けされており、温調エレメントの熱交換能力はエレメントグループ毎に独立して調整可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、流入流路から流入した空気を、複数の温調エレメントとの熱交換を通じて温調して流出させる熱交換装置に関する。

上記のような熱交換装置を電気ヒータとして構成した場合での適用例として、クリーンルームなどの恒温ブースの温度を調節する温度調節装置に組み込まれるものが挙げられる。そのような電気ヒータが組み込まれる温度調節装置として、温調対象空気を電気ヒータによって目標温度に温度調節し、その温度調節した温調対象空気をクリーンルーム等の温度調節対象空間に供給して、温度調節対象空間の温度を調節するものがある（例えば特許文献１を参照）。この従来の温度調節装置の電気ヒータは電流を通電することにより熱を発する複数のヒータエレメント（発熱部）を有し、送風装置にて吹き出された温調対象空気を加熱することにより、目標温度に温度調節する。

特開２００７−２４００７０号公報（段落番号００１７、図２）

上記のような電気ヒータを構成する複数のヒータエレメントは温調対象空気の流れ断面において分布配置されているので、この流れ断面において空気流の速度分布や温度分布に差がある場合、電気ヒータを通過後の空気温度にばらつきが発生する。このような空気温度の空間的なばらつきは温度調節対象空間の温度分布精度に悪影響を及ぼす。このことは、温度調節対象空間がクリーンルームなどのような高い精度での温調制御が要求される恒温ブースである場合、解決すべき問題となる。上記電気ヒータのような温調用熱交換装置を通過後の空気に温度ばらつきが生じる大きな原因は、直接流入空気との間で熱交換を行うヒータエレメントのような温調エレメントにまったく触れずに素通りした空気量の全通過空気量に対する割合であるバイパスファクタが大きいことである。
従って、本発明は、できるだけバイパスファクタを小さくすることを意図した熱交換装置において、通過後の空気温度の空間的なばらつきを低減することである。

流入流路から流入した空気を、複数の温調エレメントとの熱交換を通じて温調して流出させる熱交換装置において、上記課題を解決するため、本発明による熱交換装置は、前記温調エレメントが前記空気の流れ方向および当該方向に対して横断する方向に分布配置されているとともに、１つのエレメントグループに複数の温調エレメントが含まれるようにグループ分けされており、前記温調エレメントの熱交換能力は前記エレメントグループ毎に独立して調整可能である。

この構成によれば、まずは、温調エレメントを前記空気の流れ方向および当該方向に対して横断する方向に分布配置することで、通過空気と温調エレメントと間での熱交換の可能性を大きくし、バイパスファクタを小さくしている。さらに、結果的にこの熱交換装置を通過する空気の所定の空気流空間にわたって分布配置された温調エレメントを、１つのエレメントグループに複数の温調エレメントが含まれるようにグループ分けするとともに、エレメントグループ毎に独立してその温調エレメントの熱交換能力を調整することで、その空気流空間において局所的に生じうる時間当たり風量や温度の変化状態の相違に伴い発生する熱交換装置通過後の空気の空気温度の空間的なばらつきを低減させることができる。

本発明に係る熱交換装置は、さらに、前記エレメントグループは前記空気の流れ方向に対して横断する方向に並んでおり、それぞれのエレメントグループに属する温調エレメントは前記空気の流れ方向に千鳥状に配置されていることを特徴とする。この特徴によれば、熱交換装置に流れ込んできた空気が、温調エレメントとの間で直接熱交換する可能性が大きくなり、バイパスファクタがさらに小さくなる。その結果、この熱交換装置を通過した後の空気の空気温度の空間的なばらつきをさらに低減させることができる。

さらに、それぞれのエレメントグループを通過する空気流の間での温度差をできるだけ小さくするために、本発明に係る熱交換装置は、さらに、各前記エレメントグループの前記空気の流れ方向で下流側に温度センサが配置され、前記温度センサによる流入空気の温度に応じて前記エレメントグループとの熱交換能力がフィードバック制御されることを特徴としている。エレメントグループ毎に独立したフィードバック制御を行うことにより、それぞれのエレメントグループを通過する空気流の間での温度差は可及的に小さくすることができる。その結果、この熱交換装置を通過した後の空気の空気温度の空間的なばらつきをさらに低減させることができる。

複数のエレメントグループによって温度の空間的なばらつきが少ない熱交換を行うためには、流入空気の温度と目標温度との差が少ない方がよい。この目的のため、本発明に係る熱交換装置は、さらに、前記エレメントグループより前記空気の流れ方向で上流側に前記エレメントグループへの流入空気の温度を予調整する複数の前置温調エレメントからなる前置エレメントグループが配置されていることを特徴としている。この特徴によれば、精度の高い温度調整を行うエレメントグループに流入する前に、予め前置温調エレメントによって温調対象となる空気が目標温度に近い温度に粗調整される。これにより、エレメントグループによるより精度の高い温調が可能となり、この熱交換装置を通過した後の空気の空気温度の空間的なばらつきをさらに低減させることができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。この実施の形態では、本発明による熱交換装置は加熱装置として構成され、クリーンルームなどの恒温ブースの温度を調節する温度調節装置１００に構成要素として組み込まれている。また、後で詳しく説明されるが、流入空気との間で熱交換を行う温調エレメントは電気ヒータエレメント（以後、単にヒータエレメントと称する）として形成されている。

温度調節装置１００は、図１に示すように、空気吸込口７から吸い込んだ温調対象空気Ａを冷却及び加熱して目標温度に精密に温調し、その精密に温調した温調対象空気Ａを空気吹出口８から吹き出すように構成している。図示は省略するが、空気吹出口８から吹き出した温調対象空気Ａをクリーンルーム等の温度調節対象空間へ導くことにより、温度調節対象空間の温度を精密に調節している。また、空気吸込口７は、例えば、温度調節対象空間の空気を温調対象空気Ａとして温度調節装置１００に戻す空気循環路に連通接続されている。これにより、温調対象空気Ａを、温度調節装置１００と温度調節対象空間との間で循環しながら、温度調節対象空間の温度を精密に調節している。

温度調節装置１００は、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４の順に冷媒Ｃが循環するように構成された冷却回路を備え、蒸発器４を冷媒Ｃが通過することにより温調対象空気Ａを冷却するように構成してあり、蒸発器４が冷却手段として機能する。温度調節装置１００は、蒸発器４により冷却された温調対象空気Ａを吸引して吹き出す送風装置３０と、送風装置３０から吹き出された温調対象空気Ａを加熱する加熱装置２０とを備えている。

制御装置４０は、蒸発器４の下流側に設けられた温度センサ１０の検出温度が目標温度よりも低温の冷却用目標温度になるように、蒸発器４に供給する冷媒Ｃの流量を調整すべく、圧縮機１の回転速度を制御する。さらに、制御装置４０に備えられている加熱制御ユニット４０Ａは、蒸発器４にて冷却用目標温度まで冷却した温調対象空気Ａを最終的な目標温度まで加熱するように加熱装置２０を制御する。

これにより、温度調節装置１００は、温調対象空気Ａを蒸発器４にて冷却した後、加熱装置２０により加熱することで、温調対象空気Ａを目標温度に精密に調節することとなる。

温度調節装置１００は、外気を内部に取り込む外気流入口６を備え、場合によっては、外気流入口６から吸引した外気を温調対象空気Ａに混合させる状態で、温調対象空気Ａを目標温度に温度調節するようにしている。

以下に加熱装置２０及び送風装置３０について、図２と図３を用いて詳細に説明する。
この加熱装置２０は、図２と図３に示すように、矩形断面を有する貫通式の熱交換流路２１を作り出しているハウジング２２と、この熱交換流路２１内に配置された複数のヒータエレメント５０とから構成されている。このヒータエレメント５０は電流を通電することにより熱を発生するタイプのものである。ヒータエレメント５０は、空気の流れ方向に直交する方向（図２における紙面表裏方向）に伸びており、両端をハウジング２２に支持されている。また、ヒータエレメント５０は、空気の流れ方向および当該方向に対して直交する方向（図２における左右方向）に沿って並んでいる。また、図２から明らかなように、空気の流れ方向から見ると、ヒータエレメント５０は千鳥状に配置されており、全体として、熱交換流路２１の空間において一様に分布している。図２で例示された構成では、熱交換流路２１の１つの横断面に互いに平行に３本のヒータエレメント５０が配置され、さらに２つの互いに間隔が等しい横断面でそれぞれ同様に３本のヒータエレメント５０が配置され、ヒータエレメント５０の数は合計１２本となっている。なお、このヒータエレメント５０の数は説明のために仮に用いられており、その数はこの発明を限定するものではない。

本発明では、ヒータエレメント５０は、所定の複数のヒータエレメント５０を単位として、複数のエレメントグループに区分けされている。この実施の形態では、空気流れ方向で最上流側に属する流れ方向に直交する方向に並んだ３つのヒータエレメント５０は、加熱装置２０に流入する空気の温度を予調整する前置温調エレメントとして機能するもので、これらが属するグループは前置エレメントグループ５１と呼ばれる。それ以外の９本のヒータエレメント５０は、送風装置３０の吹出流路３０ａでもあるこの加熱装置２０の流入流路３０ａの空気流れ断面における風量の違いに対応してグループ化される。ここでは、流入流路３０ａの外側領域に対応する３本の流れ方向に千鳥配置されたヒータエレメント５０からなる第１エレメントグループ５２と、流入流路３０ａの中央領域に対応する３本の流れ方向に千鳥配置されたヒータエレメント５０からなる第２エレメントグループ５３と、流入流路３０ａの内側領域に対応する３本の流れ方向に千鳥配置されたヒータエレメント５０からなる第３エレメントグループ５４とにグループ化されている。つまり、第１エレメントグループ５２に到達する風量が比較的大きく、第３エレメントグループ５４に到達する風量が比較的小さく、第２エレメントグループ５３に到達する風量がその中間である。

この場合、これらの各エレメントグループ５１、５２、５３、５４をそれぞれ独立して制御するために、加熱制御ユニット４０Ａには、第１エレメントグループ制御部４１と、第２エレメントグループ制御部４２と、第３エレメントグループ制御部４３と、前置エレメントグループ制御部４４とが実装されている。そして、到達する風量が大きい第１エレメントグループ５２のヒータエレメント５０に対しては大きな熱量を発するように制御し、到達する風量が小さい第３エレメントグループ５４のヒータエレメント５０に対しては小さな熱量を発するように制御することになる。なお、前置エレメントグループ５１は、第１エレメントグループ５２と第２エレメントグループ５３と第３エレメントグループ５４とに流入する空気の予調整として機能するので、前置エレメントグループ５１に属するヒータエレメント５０に対する熱量制御も一律であってよいが、必要であれば、ヒータエレメント５０毎に異なる熱量制御をしてもよい。

この実施の形態では、加熱装置２０の下流側に位置する温度センサとして、第１エレメントグループ５２と第２エレメントグループ５３と第３エレメントグループ５４のそれぞれからの流出空気流に対応させて配置した第１温度センサ９１、第２温度センサ９２、第３温度センサ９３が採用されている。これによって、第１エレメントグループ制御部４１は、第１温度センサ９１の検出温度が温度設定部４５によって設定された目標温度になるように第１エレメントグループ５２を制御するフィードバック制御で動作する。同様に、第２エレメントグループ制御部４２は、第２温度センサ９２の検出温度が温度設定部４５によって設定された目標温度になるように第２エレメントグループ５３を制御するフィードバック制御で動作し、第３エレメントグループ制御部４３は、第３温度センサ９３の検出温度が温度設定部４５によって設定された目標温度になるように第３エレメントグループ５４を制御するフィードバック制御で動作する。

送風装置３０は、蒸発器４で冷却された温調対象空気Ａを吸引して吹き出す送風ファン３２と、当該送風ファン３２を回転させる原動機３３（図１に図示）と、当該送風ファン３２を外囲すると共に吸引された温調対象空気Ａを吹き出す吹出流路３０ａ形成するファンケーシング３１とから構成されている。

送風装置３０と加熱装置２０とは、図２に示されているように、温調対象空気Ａの流れ方向Ｚにおいて、送風装置３０における温調対象空気Ａを吹き出す吹出流路（加熱装置２０にとっての流入流路）３０ａの吹出端面３１ａの全体に加熱装置２０の受入端面２２ａの全体が連続するように配置されている。つまり、熱交換流路２１の流れ断面と吹出流路３０ａの流れ断面とは同形状でほぼ同じ大きさとなっている。

〔別実施形態〕
（１）
上述した実施形態では、ヒータエレメント５０として電流を通電することにより熱を発生するタイプのものを用いたが、熱媒体を受け取って熱を発生させるタイプのものを用いてもよい。
（２）
上述した実施形態で採用されていた、前置エレメントグループ５１は必須ではなく、これによる温調対象空気Ａの予調整が必要でない場合、省略することができる。
（３）
エレメントグループの制御は上述したフィードバック制御以外の制御を採用することも可能である。
（４）
上述した実施形態では、熱交換装置は加熱装置として構成されていたが、冷却装置として構成されることも可能である。その場合は、温調エレメント５０が冷却機能を有するものにするとよい。例えば、冷却媒体を受け取って温調対象空気Ａから熱を奪い取るような熱交換エレメントが適している。
（５）
温度調節装置１００内における熱交換装置２０のレイアウトは温調目的に合わせて種々改変可能であり、例えば、熱交換装置２０と送風装置３０を離してもよいし、複数台の熱交換装置２０を配置してもよい。
（６）
上述した実施形態では、送風装置３０の吹出流路（加熱装置２０にとっての流入流路）３０ａの断面の形状と加熱装置２０の熱交換流路２１の流れ断面の形状を矩形形状としているが、楕円形状や多角形状等、任意の形状のものを用いることができる。
（７）
なお、上記実施形態では、９本のヒータエレメント５０を空気流れ断面における風量分布のバラツキによってグループ化したが、温度分布のバラつきによってグループ化してもよい。あるいは、時間当たりの風量や温度の変化状態の相違に基づいてグループ化してもよい。

本願発明の熱交換装置は、複数の温調エレメントによって熱交換され流出する温調対象空気Ａの温度を均一にして、温調対象空気Ａの空間的な温度ばらつきを低減することができる装置として、クリーンルームなどの温度調節装置などに有効に利用可能である。

本願発明の熱交換装置を組み込んだ温度調節装置の側断面図 送風装置に取り付けられている加熱装置の詳細を模式的に示す側面図 加熱装置を模式的に示す平面図

符号の説明

２０：熱交換装置（加熱装置）
２１：熱交換流路
２２：ハウジング
３０：送風装置
３１：ファンケーシング
３０ａ：吹出流路（流入流路）
４０：制御装置
５０：温調エレメント（ヒータエレメント）
５１：前置エレメントグループ
５２：第１エレメントグループ（エレメントグループ）
５３：第２エレメントグループ（エレメントグループ）
５４：第３エレメントグループ（エレメントグループ）
１００：温度調節装置
Ａ：温調対象空気

Claims (4)

1. 流入流路から流入した空気を、複数の温調エレメントとの熱交換を通じて温調して流出させる熱交換装置において、
   前記温調エレメントが前記空気の流れ方向および当該方向に対して横断する方向に分布配置されているとともに、１つのエレメントグループに複数の温調エレメントが含まれるようにグループ分けされており、前記温調エレメントの熱交換能力は前記エレメントグループ毎に独立して調整可能である熱交換装置。
2. 前記エレメントグループは前記空気の流れ方向に対して横断する方向に並んでおり、それぞれのエレメントグループに属する温調エレメントは前記空気の流れ方向に千鳥状に配置されている請求項１に記載の熱交換装置。
3. 各前記エレメントグループの前記空気の流れ方向で下流側に温度センサが配置され、前記温度センサによる流出空気の温度に応じて前記エレメントグループの熱交換能力がフィードバック制御される請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記エレメントグループより前記空気の流れ方向で上流側に前記エレメントグループへの流入空気の温度を予調整する複数の前置温調エレメントからなる前置エレメントグループが配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換装置。

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