JP2009204280A

JP2009204280A - 冷凍装置の廃熱回収装置

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Publication number: JP2009204280A
Application number: JP2008049448A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tanaka; 和範田中; Takahiro Aiga; 崇宏相賀
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP5325431B2

Abstract

【課題】工場設備に設置されている冷凍装置の廃熱を回収して工場設備におけるエネルギー消費量を低減する冷凍装置の廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置１と、温度調整された空気を循環供給する空気循環経路５と、空気循環経路５に導入する外気の温度調整を行う外気温調整装置１０とを備えた工場設備において、冷凍装置１を構成する冷凍サイクルの凝縮器で熱交換した熱媒体を開放式冷却塔４に供給する前に通すように熱回収用熱交換器３を配設し、熱回収用熱交換器３と外気温調整装置１０における加熱用熱交換部１０ｂとの間で熱媒体を循環させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置の廃熱回収装置に関し、特に冷凍装置と少なくとも温度制御されたクリーンエアの空気循環経路とを備えている工場設備における冷凍装置の廃熱回収装置に関するものである。

半導体デバイスや各種基板を製造する各種プロセス装置や加工装置が設置された工場設備においては、清浄度を高めるとともに所定温度に精密に温度制御された空気を、上記各プロセス装置や加工装置やこれら装置が設置されたクリーンルーム等に供給するための空気循環経路が配設されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、特許文献１では、装置空間内に送給する空気を冷凍サイクルの蒸発器にて一旦冷却し、この蒸発器にて冷却された空気を、応答性の高い加熱制御が可能な電気ヒータなどを用いた再加熱器にて加熱して空気の温度を精密に制御し、精密に温度制御された空気を送風ファンにて装置空間内に送給するように構成され、さらにエネルギー効率を向上するとともに高精度の温度制御を行うため、蒸発器の空気流れ方向下流側に加熱用熱交換器を配置し、圧縮機を出た高温の冷媒（ホットガス）の一部を加熱用熱交換器に流して空気を加熱することで、冷凍サイクルの廃熱を利用して温度制御を行うように構成されている。また、湿度制御も要請される場合には再加熱器の下流側に配設された加湿器にて所定の湿度に制御される。

また、上記工場設備において、空気循環経路の空気の温度調整だけでなく、その他の種々の用途に使用する冷水を製造するため、冷凍サイクルを内蔵したターボ冷凍機などの冷凍装置を配設したものが知られており、その場合には、上記蒸発器に代えて空気と冷水を熱交換させるように熱交換器が配設される。

また、上記工場設備においては、例えばリソグラフィー工程での現像液を作成する希釈水として使用する純水など、各種プロセス装置や加工装置で使用する純水を製造する純水製造装置も配設されている。その純水製造装置として、逆浸透膜分離装置（以下、ＲＯ装置と記す）を用いた、図３に示すような構成のものが知られている（例えば、特許文献２参照）。図３において、原水槽５１の２０℃〜２５℃の原水を熱回収用熱交換器５２に通すことで３０℃〜３５℃に予熱してから加熱用熱交換器５３に通して原水を４０℃〜４５℃に加温し、供給ポンプ５４にて逆浸透膜にて純水の分離処理を行うＲＯ装置５５に供給し、ＲＯ装置５５で処理した処理水を脱気装置５６で脱気処理した後、上記熱回収用熱交換器５２に通すことで熱回収して３０℃〜３５℃の処理水とし、イオン交換設備５７にてイオン交換した後の処理水を別の工程に供給するように構成されている。

この構成にて、ＲＯ装置５５に供給する原水の温度を加熱用熱交換器５３で４０℃〜４５℃と高くすることでＲＯ装置５５でのスライム汚染による透過水量の低下を防止するとともに、その処理水を熱回収用熱交換器５２に通すことで原水加温の熱効率を向上するとともに、処理水温度を低下させてイオン交換樹脂の熱劣化の防止を図っている。
特開２００３−３０２０８８号公報特開平１０−３０９５７５号公報

ところで、上記空気循環経路においては、プロセス装置等で吸引排気されて大気中に排
出される空気量に相当する分の外気が新たに空気循環経路内に導入されるが、外気の温度を所定温度に調整した後空気循環経路に導入するため、外気温調整装置が配設されている。この外気温調整装置は、外気をヒータや加熱用熱交換部にて一旦２５℃まで加熱した後、ワッシャーに通し、さらに湿度制御のために冷却コイル部に通して１３℃まで冷却してから空気循環経路に導入し、空気循環経路で２３℃に温度制御されてクリーンルーム等に循環供給するように構成されており、外気を一旦２５℃まで加熱するのに大きなエネルギーが必要となり、特に冬季には外気が−２〜−３℃程度まで低下するのでそれを２５℃まで加熱するのに多大なエネルギーを消費するという問題があった。

また、純水製造装置においても、ＲＯ装置５５に供給する原水の温度を４０〜４５℃に加熱する加熱用熱交換器５３でのエネルギー消費量も大きいという問題があった。

一方、工場設備に設置されている冷凍装置においては、冷媒との熱交換によって温度上昇した冷却水を開放式冷却塔に供給し、開放式冷却塔で大気と熱交換することで冷却して冷凍装置に還流させており、熱エネルギーが無駄に大気中に放出されていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、工場設備に設置されている冷凍装置の廃熱を回収して工場設備におけるエネルギー消費量を低減する冷凍装置の廃熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置の廃熱回収装置は、温度調整された空気を循環供給する空気循環経路と、空気循環経路に導入する外気の温度調整を行う外気温調整装置と、冷凍装置とを備えた工場設備において、冷凍装置を構成する冷凍サイクルの凝縮器で熱交換した熱媒体を開放式冷却塔に供給する前に通すように熱回収用熱交換器を配設し、この熱回収用熱交換器と外気温調整装置における加熱用熱交換部との間で熱媒体を循環させるものである。

この構成によると、従来開放式冷却塔にて大気中に無駄に放出されていた冷凍装置の廃熱を熱回収用熱交換器で回収し、外気温調整装置の加熱用熱交換部で空気循環経路に導入する外気を加熱するようにしているので、外気温調整装置において外気を加熱するためのヒータや熱媒体供給手段を別途に設けずに済み、工場設備に設置されている冷凍装置の廃熱を回収して工場設備におけるエネルギー消費量を低減することができる。

また、原水を複数の加熱用熱交換器にて加熱して逆浸透膜分離装置に通し、純水を製造する純水製造装置における１つの加熱用熱交換器と、前記熱回収用熱交換器との間で熱媒体を循環させると、上記冷凍装置の廃熱を純水製造装置における原水の加熱にも利用することで、さらに工場設備におけるエネルギー消費量を低減することができる。

本発明の冷凍装置の廃熱回収装置によれば、従来大気中に無駄に放出されていた冷凍装置の廃熱を熱回収用熱交換器で回収して外気温調整装置の加熱用熱交換部で空気循環経路に導入する外気を加熱することで、工場設備におけるエネルギー消費量を低減することができる。

以下、本発明の冷凍装置の廃熱回収装置の一実施形態について、図１、図２を参照して説明する。

図１において、１は、半導体デバイスや各種基板を製造する工場設備に設置されたターボ冷凍機などの冷凍装置であり、その冷却水がポンプ２にて熱回収用熱交換器３と開放式
冷却塔４を通して循環される。熱回収用熱交換器３には冷却水のバイパス通路３ａとその開閉弁３ｂが、同様に開放式冷却塔４にもバイパス通路４ａとその開閉弁４ｂが設けられている。

５は、各プロセス装置や加工装置やこれら装置が設置されたクリーンルーム等に、清浄度が高められるとともに所定温度に温度調整された空気を供給する空気循環経路であり、空気温度調整装置６にて高精度に温度及び湿度が調整された空気がプロセス装置７等に供給される。供給された空気の一部はプロセス装置７等から経路外に吸引排出されるが、大部分はファン８にて循環される。空気循環経路５におけるファン８の吸引側に外気を導入する外気導入路９が接続されている。外気導入路９には、導入する外気を温度調整する外気温調整装置１０が配設されている。外気温調整装置１０は、フィルタ部１０ａと加熱用熱交換部１０ｂとウォッシャ部１０ｃと冷却コイル部１０ｄを備えている。

冷凍装置１にて生成された冷水は冷水循環経路１１を通してポンプ１２にて空気温度調整装置６に供給される。また、冷水循環経路１１が分岐され、その分岐冷水経路１３にて冷水の一部が外気温調整装置１０の冷却コイル部１０ｄにも供給される。

熱回収用熱交換器３にて冷凍装置１の冷媒と熱交換された後の熱媒体（例えば、２８℃）は供給ヘッダ１４を経て供給ポンプ１５にて外気温調整装置１０の加熱用熱交換部１０ｂに供給され、外気と熱交換された後の熱媒体（例えば、２０℃）は戻りヘッダ１６を経て還流ポンプ１７にて熱回収用熱交換器３に還流される。また、供給ヘッダ１４から熱媒体（例えば、２８℃）の一部が供給ポンプ１８にて調整弁１９を介して、純水製造装置において原水を加熱する加熱用熱交換器２０（具体的には、図２の第２加熱用熱交換器２５）に供給され、原水を加熱した後戻りヘッダ１６に戻るように構成されている。

次に、純水製造装置の構成を、図２を参照して説明する。純水製造装置は、原水槽２１から原水を取り出して前処理槽２２にて逆浸透膜へのスライムの付着を防止するため等の所要の前処理を行い、前処理後の原水を供給ポンプ２３にて第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７に順次通した後、脱気装置２８に通し、所定の温度に加温された原水をＲＯ装置３０の前段に設けた受水槽２９を介してＲＯ装置３０に供給し、ＲＯ装置３０の逆浸透膜にて純水の分離を行い、処理後の処理水（純水）をリソグラフィー工程等に送給するように構成されている。

原水槽２１には、原水の水温を検出する第１水温センサ３１が配設され、検出した第１水温検出信号ｔ１が制御部４１に入力されている。また、受水槽２９には、原水の水温を検出する第２水温センサ３２と原水の水位を検出する水位センサ３３とが配設され、検出した第２水温検出信号ｔ２及び水位検出信号ｈが制御部４１に入力されている。また、処理水の流出流量を流量センサ（図示せず）にて検出した使用水量信号ｗも制御部４１に入力されている。

第１加熱用熱交換器２４は、ＲＯ装置３０の逆浸透膜の洗浄に用いられるブライン（洗浄水）（例えば、２５℃）の廃熱によって原水を加熱するものであり、ＲＯ装置３０からブラインが供給されるブライン配管３５に接続されている。ブライン配管３５には、ブラインの流量を調整する調整弁３６が配設されている。第２加熱用熱交換器２５（加熱用熱交換器２０）は、上記のように冷凍装置１の廃熱を回収する熱回収用熱交換器３からの熱媒体（例えば、２８℃）を通して原水を加熱するものであり、その熱媒体の供給管路に調整弁１９が配設されている。

第３加熱用熱交換器２６は、工場設備に設置されたコンプレッサー装置３７の廃熱を受け取った熱媒体（例えば、３２℃）を通して原水を加熱するものであり、その熱媒体の供
給管路に調整弁３８が配設されている。第４加熱用熱交換器２７は、工場設備に設置されたボイラー装置３９の廃熱を受け取った熱媒体（例えば、１２０℃）を通して原水を加熱するものであり、その熱媒体の供給管路に調整弁４０が配設されている。なお、熱媒体に代えて、ボイラー装置３９の余剰のスチームを通すようにしても良い。

また、脱気装置２８は、ＲＯ装置３０の寿命を延ばすため、原水に溶存する二酸化炭素及び酸素を所定の溶存濃度以下に脱気するものである。また、制御部４１は、供給ポンプ２３を駆動するインバータ３４に制御信号ｉ１を出力し、供給ポンプ２３を作動制御する。また、第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７の調整弁３６、１９、３８、４０に制御信号ｖ１〜ｖ４を出力し、第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７の熱出力を各々制御するように構成されている。

以上の構成において、空気循環経路５では空気温度調整装置６にて所定の温度（例えば、２３℃）に温度調整された空気がプロセス装置７等に供給されてその雰囲気が一定温度に高精度にコントロールされる。また、プロセス装置７等で吸引排出されたエア量に対応して外気が外気導入路９から空気循環経路５に導入される。この導入外気は、外気温調整装置１０において、例えば、冬季において−２〜−３℃程度の低温の外気が取り込まれると、内蔵された加熱用熱交換部１０ｂにて一旦例えば２５℃まで加熱され、その後ウォッシャ部１０ｃを経て冷凍装置１からの冷水が供給されている冷却コイル部１０ｄを通して例えば１３℃まで冷却されて空気循環経路５に導入される。

上記外気温調整装置１０における加熱用熱交換部１０ｂには、冷凍装置１の熱回収用熱交換器３からの熱媒体（例えば、２８℃）が流通されていることで、従来のように別途にヒータやその他の熱源を配設することなく、外気を例えば２５℃まで加熱することができる。その結果、大きな省エネルルギー効果が発揮され、例えば二酸化炭素排出量に換算して２１８００ｔ／年の排出削減を達成することができる。

なお、夏季において、外気温が高い時には外気温調整装置１０の加熱用熱交換部１０ｂは作動させないようにする。その際にはバイパス通路３ａの開閉弁３ｂを開いて熱回収用熱交換器３を機能させず、冷凍装置１における冷却水をバイパス通路３ａに通して開放式冷却塔４に供給する。一方、冬季に開放式冷却塔４を作動させる必要がない場合には、開閉弁４ｂを開き、冷却水をバイパス通路４ａに通して循環させる。

また、純水製造装置においては、原水槽２１の原水が、前処理槽２２で所要の前処理が行われた後、供給ポンプ２３にて第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７に送給されて加温され、次いで脱気装置２８に供給されて溶存二酸化炭素及び溶存酸素が脱気され、受水槽２９に送給される。受水槽２９では、貯留されている原水の水位が水位センサ３３にて検出され、制御部４１にて水位検出信号ｈに基づいてインバータ３４が作動制御され、供給ポンプ２３が駆動されて受水槽２９の水位が常に一定に維持される。

また、原水槽２１と受水槽２９の原水の水温が第１と第２の水温センサ３１、３２にて検出されてそれらの水温検出信号ｔ１、ｔ２が制御部４１に入力され、制御部４１にて第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７の調整弁３６、１９、３８、４０が制御される。例えば、冬季において、原水槽２１の原水の水温が５℃の場合には、例えば調整弁３６、１９、３８を全開するように制御して第１〜第３の加熱用熱交換器２４〜２６の熱出力を最大にする。これにより、例えば第１加熱用熱交換器２４の出口での原水の温度を６．５℃、第２加熱用熱交換器２５の出口での原水の温度を１４℃、第３加熱用熱交換器２６の出口での原水の温度を２５℃とし、第４加熱用熱交換器２７は補助的に２５℃を維持するようにその調整弁４０の開度を制御することで、受水槽２９を経たＲＯ装置３０の入口での原水の温度が２５℃±０．５℃となるように制御される。

また、春季又は秋季において、原水槽２１の原水の水温が１５℃の場合には、例えば調整弁３６、１９、４０を全閉するとともに、調整弁３８を開閉制御して第３の加熱用熱交換器２６のみの熱出力を制御することで、第３加熱用熱交換器２６の出口での原水の温度を２５℃とする。また、夏季において、原水槽２１の原水の水温が２９℃の場合には、全ての調整弁３６、１９、３８、４０を全閉して加熱を行わないように制御される。

このように純水製造装置において、ＲＯ装置３０、冷凍装置１、コンプレッサー装置３７、ボイラー装置３９の廃熱を利用する第１加熱用熱交換器〜第４加熱用熱交換器２４〜２７にて原水を加熱するように構成することで、大きな省エネルルギー効果が発揮される。その中で、冷凍装置１の廃熱を利用することで、二酸化炭素排出量に換算して７００ｔ／年の排出削減を達成することができる。かくして、冷凍装置１の廃熱を外気温度調整装置１０と第２加熱用熱交換器２５で利用することで、２２５００ｔ／年の排出削減を達成することができるという大きな効果が得られる。

本発明の冷凍装置の廃熱回収装置は、大気中に無駄に放出されていた冷凍装置の廃熱を熱回収用熱交換器で回収して外気温調整装置の加熱用熱交換部で空気循環経路に導入する外気を加熱することにより、工場設備における大幅な省エネルギー及び二酸化炭素排出量の削減を達成することができ、半導体デバイスや各種基板を製造する各種プロセス装置や加工装置が設置された工場設備に好適に利用できる。

本発明の冷凍装置の廃熱回収装置の一実施形態の概略構成図。同実施形態における純水製造装置における概略構成図。従来例の純水製造装置の概略構成図。

符号の説明

１冷凍装置
３熱回収用熱交換器
４開放式冷却塔
５空気循環経路
１０外気温調整装置
１０ｂ加熱用熱交換部（外気加熱用熱交換部）
２４第１加熱用熱交換器
２５第２加熱用熱交換器（原水加熱用熱交換器）
２６第３加熱用熱交換器
２７第４加熱用熱交換器
３０ＲＯ装置（逆浸透膜分離装置）

Claims

温度調整された空気を循環供給する空気循環経路と、空気循環経路に導入する外気の温度調整を行う外気温調整装置と、冷凍装置とを備えた工場設備において、冷凍装置を構成する冷凍サイクルの凝縮器で熱交換した熱媒体を開放式冷却塔に供給する前に通すように熱回収用熱交換器を配設し、この熱回収用熱交換器と外気温調整装置における加熱用熱交換部との間で熱媒体を循環させることを特徴とする冷凍装置の廃熱回収装置。
原水を複数の加熱用熱交換器にて加熱して逆浸透膜分離装置に通し、純水を製造する純水製造装置における１つの加熱用熱交換器と、前記熱回収用熱交換器との間で熱媒体を循環させることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置の廃熱回収装置。