JP2697655B2

JP2697655B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2697655B2
Application number: JP7013134A
Authority: JP
Inventors: 義成野口; 健太郎内山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1998-01-14
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: JPH08200738A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空気調和装置に関し、特
に超ＬＳＩ製造等に用いられるクリーンルーム内の超清
浄空気環境を製造・維持する空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の空気調和装置における省エネルギ
技術は第１に運転効率向上による省力化技術、第２に代
替エネルギによる省力化技術とに２大別される。この種
の省エネルギ技術を取り入れた空気調和装置の概略図を
示す図４を参照すると、この装置は、外気取り入れ経路
１と、導入外気を設定された温湿度に調和するための外
気調和機２と、調和外気と還り空気との混合空気を調和
して再度クリーンルームへ送気する空気調和機３と、清
浄度維持のため清浄空気を循環させるファン４と、調和
空気内の塵埃を捕獲し、清浄度を確保するためのＨｅｐ
ａフィルタ５と、このフィルタ５で仕切られたクリーン
ルーム２９，サプライチャンバ３０と、この他の諸冷却
手段と、配管とを備える。

【０００３】ここで、外気調和機２は、ヒータ（蒸気加
熱コイル）２１と、蒸気噴霧式加湿管３４と、クーラ
（冷却コイル）２２と、送風ファン２３とを備え、さら
に外気導入口と外気ダクト６への導出口とを備えてい
る。外気取り入れ経路１には、冷ガス熱交換器２４，風
量調整用手動ダンパ２５を備える。冷ガス熱交換器２４
には、窒素タンク１０が接続されている。クーラ２２に
は、井戸９，冷凍機８，又は冷却塔１１から、それぞれ
給水ポンプ２６を使用して、冷媒が送られる。

【０００４】空気調和機３は、外気ダクト６からの外気
導入口，還りダクト７からの還り空気導入口，サプライ
チャンバ３０への導出口がそれぞれ開口しており、内部
にクーラ２７と蒸気噴霧式加湿管３２と送風ファン２８
とを備える。この空気調和機３内のクーラ２７の冷却源
として、上記井戸９，冷凍機８，冷却塔１１が用意され
ている。

【０００５】循環ファン４は、リターンチャンバ３１内
の空気をサプライチャンバ３０内へ送るために必要であ
る。クリーンルーム２９は、作業エリアとなるところ
で、高度の清浄度が要求される。このクリーンルーム２
９の上面は、低圧損Ｈｅｐａフィルタ５を介してサプラ
イチャンバ３０に接し、側方には諸設備を設置したサー
ビスエリア３５が接し、また圧力センサ１４が介在す
る。下面即ち床面は、リターンチャンバ３１に開口す
る。

【０００６】リターンチャンバ３１は、還りダクト７へ
の導出口，ファン４への導出口が開口し、またサービス
エリア３５内の設備と、この冷却塔２０，冷水熱交換器
１２とを結ぶ配管が通過する。サビースエリア３５に
は、外気へ送出するファン３３が設けられ、このファン
３３の送出量を制御するインバータ１３も備えられる。

【０００７】作業者が作業するクリーンルーム２９は、
設備を設置してあるサービスエリア３５からの塵埃の流
入を防ぐため、室内の圧力に、わずかの圧力差（約２ｍ
ｍＨｇ）を保つ必要がある。このような室間差圧を維持
すべく、圧力センサ１４がこれを検知し、インバータ制
御機能を有する外気調和機２のファン２３へ信号を送
り、このファン２３の回転数を制御する。

【０００８】インバータ１３は、設備が必要とする排気
量を検知した信号を受け取り、外部排気用排気ファン３
３の回転数を制御し、必要以上の電力消費を抑えるため
の装置である。

【０００９】Ｈｅｐａフィルタ５は、サプライチャンバ
３０とクリーンルーム２９との間に設けられ、この他の
フィルタとしては、外気調和機２の外気導入口に粉じん
用及び中性能プレフィルタを設置し、吸い込み空気の粗
大粉塵を捕集し、また空気調和機３には高性能プレフィ
ルタを設置し、クリーン度の維持に努めているが、いず
れも図示していない。

【００１０】上記低圧損Ｈｅｐａフィルタとは、Ｈｅｐ
ａ（Ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｐａｒｔｉｃｕｌａ
ｔｅａｉｒ）フィルタのことであり、通常超高性能フ
ィルタと呼ばれ、ろ過式フィルタの一種であり、サブミ
クロン粒子を非常に高い性能で捕集できる。このフィル
タの性能は、捕集率が０．３μｍの粒子に対して９９．
９２％以上で、かつ定格風量における初期圧力損失が２
５．４ｍｍＡｇ以下と定められている。

【００１１】尚、後述する冷温熱源とは、空気調和シス
テムでの温調（空気の除湿，冷却）用冷源として冷水を
用いるが、この冷水製造機器を示す。冷水製造機として
は、遠心冷凍機や吸収式冷凍機等が代表的である。

【００１２】図３の空気調和装置において、クリーンル
ーム２９内の清浄エアー量を１００％とすると、床面に
開口したリターンチャンバ３１から還りダクト７へは３
７％，ファン４へは６３％が送られる。空気調和機３へ
は、還りダクト７から３７％，外気ダクト６から８％が
導入され、合わせて４５％がファン２８でサプライチャ
ンバ３０へ導入される。このサプライチャンバ３０に
は、ファン４からの６３％と合わせて１０８％が導入さ
れ、このうち８％は、ファン３３で外気へ排出される。
従って、外気調和機２への導入外気は８％となる。

【００１３】高温プロセスを基礎とする半導体製造装置
には、大量の発熱を伴うものが多く、クリーンルームの
大きな熱負荷源となっている。しかし、製造作業環境
は、その変動幅が温度±２℃，湿度±１０％ＲＨと厳し
い要求となっている。図３における温度・湿度の自動制
御系は図示していないが、以下に述べるように、ネガテ
ィブ・フィードバック制御構成となっている。

【００１４】クリーンルーム２９内の室内型温度検出器
は、外気室内温度差指示調節器にクリーンルーム内温度
を入力し、その温度差に応じて比例制御モーターバルブ
を操作し、蒸気が外気調和器２内のヒータ２１に導入さ
れる量を加減する。

【００１５】クリーンルーム２９内の室内型温度湿度検
出器は、室内温度指示調節器へ温度情報を送り、比例制
御用モータバルブを操作して、冷水が空気調和機３内の
クーラ２７に導入される量を加減すると共に、湿度情報
を室内温度・湿度指示調節器へ送り、比例制御用モータ
ーバルブを操作して、蒸気が蒸気噴霧式加湿管３２へ導
入される量を加減する。

【００１６】外気調和機２内の外気温度検出器は、外気
温度指示調節器へ外気温度情報を送り、これに基いて冷
水をクーラ２２へ導入する量を、モーターバルブで加減
する。外気ダクト６に設けられた露点湿度検出器は、湿
度情報を露点湿度指示調節器ヘ送り、蒸気が外気調和機
２内の加湿管３４に導入される量を、モーターバルブで
加減する。

【００１７】以上の５系統の自動制御系を備えている。
変動要因としては、外気の温度・湿度等があり、またク
リーンルーム２９内の照明，動力，在室者からの発熱が
あり、さらにサービスエリア３２内の製造装置からの発
熱等が挙げられる。

【００１８】上述したように構成された空気調和装置に
適用される従来の省エネルギ技術は、冷温熱源の代替に
よる省力化が主流となっている。外気調和機２、空気調
和機３の通常の冷却源として、冷凍機８が造り出す冷水
が使用されるが、夏期には代替として、井戸９の水など
の自然冷熱源や、窒素（Ｎ₂）タンク１０からの蒸発潜
熱などの蒸発冷却が活用される。いずれも、外気の冷却
・除湿のためのエネルギを補うものである。

【００１９】また、冬期の外気は低温乾燥状態であるた
め、通年冷房を必要とする空気調和機３の代替冷温熱源
として、冷却塔１１で冷却した冷却水を活用し、省力化
を図っている。

【００２０】通年を通しての省エネルギ技術は、排熱利
用並びに高効率化である。この装置で使用される回転機
器の高効率機器の採用や、低圧損Ｈｅｐａフィルタ等の
採用であり、またインバータ１３，圧力センサ１４によ
る風量制御や台数制御等である。さらに、冷却水の排熱
を、冷水熱交換器１２による純水加温に利用するなど
が、従来の空気調和装置における省エネルギ技術として
あげられる。

【００２１】この他に関連するとみられる従来技術とし
て、コンピュータに使用される電子機器の冷却装置を記
載した特開昭６３−２９８５１３号公報や、可搬型通信
設備収容範内の空調方式を記載した特開昭６４−７８２
３号公報などが強いてあげられるが、温度，湿度及び清
浄度を管理するシステムではなく、また実際にこの点に
関する構成は示されていない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の空気調
和装置では、外気処理を行う外気調和機２の熱源とし
て、ヒータ２１に導入される蒸気のみであるため、処理
エネルギの低減ができないという欠点がある。

【００２３】また、空気調和機３内には、３７％もの高
温度の還気が入力されるため、クーラ２７の冷却能力と
して大きなものが必要とされている。

【００２４】このように、空気調和システムのバランス
が悪く、ランニングコストミニマム化が図れていないと
いう欠点がある。以上から、空調ダクト引き回しと外気
導入量調整とに、再評価の必要性を認識した。

【００２５】さらに、従来では以下の問題点等が指摘さ
れる。

【００２６】（ア）自然冷熱源などによる代替であるた
め、質の安定性に欠け、安定した量の確保維持が困難で
ある。

【００２７】（イ）外部エネルギの利用率が高く、その
ための設備が必要となる。

【００２８】（ウ）最も大きな課題は、最大省エネルギ
効果率が高々約２０％程度である。

【００２９】（エ）温度，湿度及び空気清浄度を、高精
度，高グレードに管理できない。

【００３０】本発明では、このような問題点等を解決す
るため、従来の冷熱源代替に主眼を置いた省エネルギ技
術とは異なり、空気調和装置自体の構成の見直しによ
り、省力化を図ること等に着目して、次の課題を掲げ
る。（１）温度±２℃，湿度±１０％ＲＨの精度が得られる
こと。（２）外部エネルギの依存度を低め、空気調和の信頼性
を高めること。（３）量・質とも、充分な確保・維持ができること。（４）最大省エネルギ効果率を高めること。（５）装置規模を小さいものとすること。（６）従来の装置の大幅な設計変更をともなわないこ
と。（７）空気調和装置自体の省略化を図ること。（８）空調ランニングコストを低減すること。（９）特に冬期間の、外気処理に必要とする温熱源エネ
ルギの低減化を図ること。（１０）空調機内露点冷却に必要とする冷温熱源の低減
化を図ること。（１１）空調システムの総合的なバランスを良くして、
局所的な処理能力を増大させないようにすること。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、経時的
に温度および湿度が変化する外気を調和する外気調和機
と、この外気調和機にて調和された外気とクリーンルー
ム内で発熱された空気とを導入して調和する空気調和機
と、前記クリーンルーム内の清浄空気を循環させるファ
ンとを備える空気調和装置において、前記発熱された該
空気の一部の一定量を前記外気調和機に還気し前記外気
と混合し所定の温度および湿度に調和する手段を備える
空気調和装置である。

【００３２】

【００３３】

【実施例】本発明の一実施例の空気調和装置を示す図１
の概略図を参照すると、この実施例は、還りダクト７か
ら分岐して外気調和機２に開口する経路ダクト１５が存
在することが主な特徴の一つである。

【００３４】図４において説明した自動制御系等は存在
し、また冷凍機８も存在して、外気調和機，空気調和機
３の熱源として、除湿・冷却に必要なエネルギを供給し
ており、さらに加湿・加温な蒸気は別に設置されたボイ
ラから供給されているが、いずれも図１上には示さず省
略してある。

【００３５】図４上の窒素タンク１０，冷ガス熱交換器
２４，井戸９，冷却塔１１，２０，冷水熱交換器１２，
給水ポンプ２６，圧力センサ１４，インバータ１３等
は、図１上に存在してもよいが、必ずしも必要不可欠な
ものでもない。

【００３６】しかし、この実施例において、外気取り入
れ経路１や、ヒータ１６，クーラ１７，ファン３３，加
湿管３４を含む外気調和機２，クーラ１８，加湿管３
２，ファン２８を含む空気調和機３，ファン４，フィル
タ５，外気ダクト６，還りダクト７等は、従来の図４と
共通する。

【００３７】この実施例では、還りダクト７から分岐し
た経路ダクト１５を外気調和機２に導いているため、還
りダクト７内の３７％のエアー量のうち２２％は、空気
調和機３内に還りダクト７′を通して送られるが、残り
の１５％は外気調和機２内に送られる。外気調和機２内
には、外気８％，経路ダクト１５％が導入され、空気調
和機３内にはこれらがミキシングされ２３％となって送
られる。その他のエアー量は、図３での説明と共通する
ため省略する。

【００３８】図１の動作機能を示す図２の湿り空気線図
を参照すると、横軸は−５℃から＋４５℃までの乾球温
度の目盛りで、縦軸は０．０００から０．０３４までの
絶対湿度〔ｋｇ／ｋｇ′〕の目盛りである。左側の過飽
和空気域（水滴を含む状態）と、不飽和空気域との境介
曲線を、飽和空気線４０としている。絶対湿度とは、乾
き空気量に対する水蒸気量のことである。ここで、Ｔ点
上のポイントＲＡは、リターンチャンバ３１内の所定の
温・湿度を含む空気を示し、Ｓ点上の黒丸ポイントはク
リーンルーム２９内の空気を示し、Ｒ点上のポイントＳ
Ａは空気調和機３内のファン２８の送気を示し、ポイン
ト（ｃ）は、外気ダクト６内の空気と還りダクト７′内
の空気とがミキシングされて落ち付く点である。

【００３９】外気取り入れ経路１内の外気（二重丸で示
す）は、経路ダクト１５内の空気即ちＴ点のリターンチ
ャンバ３１の還気とミキシングされ、矢印（１）、（１
５）の方向に向い、Ｒ点で示すポイント（ａ）に落ち付
く。次に外気調和機２の加湿管３４で加湿され、ポイン
ト（ｂ）に落ち付く。これが外気ダクト６内の空気であ
る。この外気ダクト６内の空気と、還りダクト７′内の
空気（ポイントＲＡ）とが空気調和機３内でミキシング
され、矢印（６），（７′）の方向に向い、ポイント
（ｃ）に落ち付く。次にクーラ１８で冷却され、矢印
（１８）の方向に向いポイント（ｄ）に落ち付き、これ
をファン２８でサプライチャンバ３０に送られる。サプ
ライチャンバ３０では、還気（ポイントＲＡ）とファン
４からの空気とがミキシングされ、クリーンルーム２９
内の雰囲気が造られる。この点がＳ点上の黒丸の部分と
なる。

【００４０】図４の従来の空気調和装置において、外気
は外気調和機２に導入され、図２の破線の矢印（１
６），（１７）を通り調和される。クリーンルーム２９
内の内部発熱は、還りダクト（７）を通り、空気調和機
３に送られる。空気調和機３の入口（ポイント（ｃ））
では、調和外気６とのミキシングにより冷却が行われ、
残った熱負荷は冷却コイルのクーラ２７を通り、設定さ
れた温・湿度に調和され（ポイント（ｄ））、クリーン
ルーム２９へ再び送気される。このような従来における
外気の調和は、図２の破線ルートを通るため、多大なエ
ネルギを必要とする。

【００４１】そこで、この実施例では、還りダクト１５
を還りダクト７より分岐し、外気調和機２の入口に設け
ると、外気調和機２内に空気調和機３と同様のミキシン
グ効果が発生する。図２において、実線の矢印（１）と
（１５）とが相殺し合い、調和のためのエネルギは、ポ
イント（ａ）から（ｂ）分のエネルギ量で済むため、約
７０％の省エネルギとなる。また、内部発熱負荷を含む
還り空気の一部を外気調和機２へ分岐することにより、
空気調和機３で調和する量が減少するため、約３０％の
省エネルギとなる。従って、全冷熱エネルギの省エネル
ギ率は５０％程度となる。

【００４２】このような省エネルギ状態を示す図３の月
別消費エネルギ量〔％〕を参照すると、特に冬期の１
月，２月には略５０％の省エネルギ（斜線で示した部
分）を達成できるという効果がある。

【００４３】なお、上述した実施例における空気混合比
率は、コスト面から外気調和機２において、好ましくは
外気導入量１に対し還り空気量２であり、空気調和機３
においては、好ましくは外気調和量１に対し、還り空気
量１に設定してあるが、これに限定されるものではな
く、この他に適宜異なった空気混合比率をも取りえる。

【００４４】還りダクト７を途中で還りダクト７′と経
路ダクト１５とに分岐していることが、より簡単な変更
工事で済むという点で好ましいが、このように分岐せ
ず、経路ダクト１５の導入口を直接リターンチャンバ３
１内に開口してもよい。

【００４５】図２中の各ポイント（ａ）乃至（ｄ）の温
・湿度点は、図１中において共通のアルファベットでそ
の場所を示している。

【００４６】以上のように、本発明によれば、加熱・加
湿処理に用いる熱量を還気から得るため、最小限の蒸気
量で済み、外気処理エネルギの低減が期待できる。空気
調和機２内の還気量低減に伴い、ミキシングエアの冷却
に用いる冷却エネルギが最小となり、空調機２内エア処
理エネルギの低減が図れる。

【００４７】また本発明によれば、経時的に変化する外
気の状態に対応して外気調和機２では、蒸気エネルギに
よる加熱加湿，冷却エネルギによる冷却除湿と、特に中
間期・冬期においてはエネルギ形態が頻繁に入れ替る
が、クリーンルーム２９の調和された清浄空気を一部外
気調和機２に還すことにより、ミキシング効果によりエ
ネルギが著しく低減し、また空気調和機３においても調
和量が減少するため、全体で消費するエネルギが低減さ
れる。

【００４８】

【発明の効果】以上の通り、本発明は、外部代替エネル
ギを使用せず、冷却・加熱と相反するエネルギの活用に
より、最大省エネルギ効果率約２５％の省力化を図るこ
とができ、また空気調和装置自体が造りだした清浄空気
の利用であるため、特別な設備を必要とせず、質・量と
もに安定性・信頼性の高い装置が得られる等の効果があ
り、上述した各課題が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の空気調和装置を示す概略図
である。

【図２】一実施例の動作を湿り空気線上のエネルギの動
きとして示す特性図である。

【図３】一実施例による年間消費エネルギ推移を示す特
性図である。

【図４】従来の省エネルギ技術による空気調和装置の概
略図である。

【符号の説明】

１外気取り入れ経路２外気調和機３空気調和機４，２３，２８，３３循環ファン５フィルタ６外気ダクト７，７′ 還りダクト８冷凍機９井戸１０窒素タンク１１，２０冷却塔１３インバータ１４圧力センサ１５経路ダクト１６，２１ヒータ１７，１８，２２，２７クーラ２４冷ガス熱交換器２５風量調整用手動ダンパ２６給水ポンプ２９クリーンルーム３０サプラチャンバ３１リターンチャンバ３２，３４蒸気噴霧式加湿管３５サービスエリア４０飽和空気域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】経時的に温度および湿度が変化する外気
を調和する外気調和機と、この外気調和機にて調和され
た外気とクリーンルーム内で発熱された空気とを導入し
て調和する空気調和機と、前記クリーンルーム内の清浄
空気を循環させるファンとを備える空気調和装置におい
て、前記発熱された該空気の一部の一定量を前記外気調
和機に還気し前記外気と混合し所定の温度および湿度に
調和する手段を備えることを特徴とする空気調和装置。