JP3672096B2 - クリーンルームの精密環境チャンバ用空気調和制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱器を用いた空調設備に係り、特に、熱源を内部に備え、供給されるエアを加熱する加熱器が用いられ、空調室の室内温度を一定に保つように空調を制御する空調設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工場等で用いられるクリーンルーム（空調室）等においては、作業環境の条件が厳しく求められる傾向にある。たとえば精密環境チャンバ室等では室内の温度管理が厳しく要求され、特に、実際にその室内で検査作業等が行われる空間においてはその温度変化の変動を±１／１０００度以下に納めることが要求されるなど、空調設備の高精度な温度管理が要求されている。
【０００３】
これを実現するために従来までの空調設備には、室内の温度を所望温度に維持するために加熱器や冷却器が設けられ、室温を温度センサ等によって監視しつつ、これら加熱器や冷却器をフィードバック制御して、室内を一定の温度に維持していた。
【０００４】
ここで、加熱器としては、空調設備のエアダクト（供給経路）内に熱源として電気抵抗の高い伝熱ワイヤをコイル状（または板状）に巻回されたものが用いられ、伝熱ワイヤに通電させることで伝熱ワイヤに熱を発生させ、送風機によって送風されるエアを伝熱ワイヤに接触させることで、所望の温度の加熱エアを得ていた（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
また、冷却器としては、その内部に冷却水やフロンなどの冷水が流れる冷却用コイルが設けられ、冷却用コイルにエアを接触させることで所望温度の冷却エアを得ていた。すなわち、所定の温度に冷却された冷水の流量をポンプで制御して冷却用コイルに供給し、エアを冷却用コイルに接触させてエアを所望の温度に保つ構成としていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２７２９６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加熱器は、伝熱ワイヤを用いているために温度制御に対する即応性が低く、高精度の温度管理が望まれる環境での使用には適さないという欠点があった。
【０００８】
また、従来の冷却器は、冷却用コイルに供給する冷水の供給流量を制御することでエアの温度を制御するものなので、エアの制御温度に対する冷水の流量制御が難しく、たとえば精密環境チャンバ室のドア開閉による空気流出などの外的要因による温度変化に対して即応性が低く、さらに高精度の温度を制御するには不向きであった。
【０００９】
さらに、単一の温度分解能を備えた加熱器または冷却器のいずれかをエアダクトに設けたのみでは、上述したような外的要因などによる温度変化に対して即応性が望めず、また、むやみに複数の加熱器および冷却器を設けたのでは、制御が複雑となるほか、設備費が嵩むという欠点があった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、エアの温度制御に対する即応性を向上させた加熱器を提供するとともに、この加熱器を用いて高精度の温度管理を実施できる空調設備を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、フィラメントを備えた電球を用いるとともに、該フィラメントに通電させて電球を点灯させ、これにより生じる熱を用いて空調室に供給される空調エアを加熱する加熱器が、エアの供給経路の下流側と上流側とに設置され、上流側に設けられた第１の加熱器は、前記第１の加熱器と下流側に取り付けられた第２の加熱器との間の該供給経路に取り付けられている第１の温度センサからのエア温度情報に基づき、第１の制御手段によって±１／１００度の分解能で制御され、前記空調室に供給されるエアの温度を要求温度の±１／１００度以内で調整を行い、前記第２の加熱器は、前記空調室の所定の位置に取り付けられた第２の温度センサからのエア温度情報に基づき、第２の制御手段によって±１／１０００度の分解能で制御され、前記第１の加熱器で温度調整された前記空調室に供給されるエアを要求温度の±１／１０００度以内で調整を行うことを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、電球の点灯により生じる熱を加熱器の熱源として用いることで、温度制御に対する即応性が向上する。
【００１３】
また、本発明では、前記供給経路の上流側に設けられた第１の加熱器は、供給経路に取り付けられた第１の温度センサからの温度情報に基づき、第１の制御手段によって１／１００度の分解能で制御され、前記供給経路の下流側に設けられた第２の加熱器は、前記空調室の所定の位置に取り付けられた第２の温度センサからの温度情報に基づき、第２の制御手段によって１／１０００度の分解能で制御され、該１／１０００度の分解能で温度制御された空調エアが前記所定の位置に供給されることを特徴としている。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記第１の加熱器が設けられた前記供給経路の上流側には、供給される冷水の温度を温度センサで測定し、測定された該冷水の温度情報に基づき、該冷水の温度を制御することにより、前記空調室に供給するエアの温度調整を行なう冷却器が備えられていることを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明によれば、冷水の流量を制御するのではなく、加熱器により温度制御された一定量の冷水を連続供給してエア温度を制御するので、高精度の温度管理が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る加熱器およびこの加熱器を用いた空調設備の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２０】
図１は本発明の加熱器がエアダクト１０（供給経路）に設けられた例を示す斜視図である。同図に示すようにエアダクト１０は、加熱器１２が設けられたダクトユニット１４と、このダクトユニット１４に着脱自在に連結された上流側エアダクト１０ａおよび下流側エアダクト１０ｂから構成される。これにより、上流側エアダクト１０ａから供給されてきたエアは加熱器１２に加熱された後、下流側エアダクト１０ｂに流される。
【００２１】
ダクトユニット１４の側面には、加熱器１２を取り出すための矩形状開口部１６が形成されるとともに、この開口部１６を開閉する蓋１８がヒンジ１７、１７を介して取り付けられている。蓋１８には取手１９が取り付けられ、また、蓋１８は不図示のロック機構によって施錠・開錠可能となっている。
【００２２】
加熱器１２は、１５個の電球２０、２０…から構成され、これらの電球２０、２０…は下フレーム２２、縦フレーム２４、及び上フレーム２５を組み付けてエ字状に形成されたフレーム構造体の所定の位置に取り付けられている。
【００２３】
フレーム構造体の下フレーム２２および上フレーム２５は、図２に示すようにダクトユニット１４の内側の天井面および床面に設けられたレール２８、２８に挟まれて摺動可能に支持されており、それぞれのレール２８、２８…がダクトユニット１４の軸方向と直交する方向に配設されることで、フレーム構造体がその方向に開口部１６を介して取り出し、収納可能となっている。
【００２４】
下フレーム２２、上フレーム２５の両端部には電球ソケット２６，２６…が設けられ、縦フレーム２４の中央位置にも電球ソケット２６が設けられている。これらの電球ソケット２６，２６…に電球２０、２０…が取り付けられた際には、電球２０のガラス球がエアの送風方向（矢印Ａ）に対向する（図２における右側に電球２０のガラス球が向く）。なお、不図示の配線がこれら電球ソケット２６，２６…の夫々に接続されるとともに、不図示の電源部にこの配線が接続されており、後述するサイリスタ７０または７６（図３参照）によって電圧が制御される。ここで、電球ソケット２６，２６…の夫々の接続は直列・並列接続を問わない。また、下フレーム２２および上フレーム２５に夫々設けられる電球ソケット２６，２６…の取り付け位置は、ダクトユニットの高さ寸法の１／１０〜２／１０程度（ｄ）、天井面または床面から離れた位置に設定している。これにより、ダクトユニットの縦断面においてエアの温度分布が均等になる。
【００２５】
電球２０としては、金属フィラメント（タングステン線などでもよい）を通電可能に封入したハロゲン電球が用いられる。ダクトユニット１４の外側には、同図に示すようにフランジ３４，３４…が設けられており、ダクトユニット１４は、このフランジ３４，３４…を介してエアダクト１０ａ，１０ｂに取り付けられている。これにより、エアダクト１０にダクトユニット１４が着脱自在に取り付けられており、たとえば加熱器１２全体の故障などにおいて、その交換作業を容易としている。また、ユニット化されたダクトユニット１４によって、エアダクト１０に対する設計の自由度が増し、ダクトユニット１４の設置数や配置箇所の変更も容易に行える。例えば、後からダクトユニット１４を増設する場合には、そのダクトユニット１４を設置する位置のエアダクト１０を取り外して、その位置にダクトユニット１４を設置すればよい。
【００２６】
なお、エアダクト１０ａ，１０ｂには、熱の遮断・保温に用いる断熱材３０，３２が設けられており、エアダクト１０の壁面全面を覆うようにこれら断熱材３０，３２が取り付けられていることで、エアダクト１０の内部と外部との間で、熱拡散や熱吸収を防ぎ、外乱による熱の影響を最大限に防いでいる。なお、この断熱材３０としてはガラス繊維・発泡スチロール・コルク質の類が用いられる。また、ダクトユニット１４におけるエアダクト１０ａ側（すなわち上流側）に不図示の金網を設けて、異物の進入を防止する構成としてもよい。
【００２７】
ここで、一般的な電球は、点灯することによってガラス球の表面が輻射熱にて加熱される。この輻射熱を利用してガラス球に接触したエアを伝熱により加熱させるのが本発明の特徴であり、また従来までの伝熱コイルを用いたものと比較して、肉厚の薄いガラス球により良好な即応性が得ることができる。
【００２８】
ここで、加熱器１２に対して与えられる電圧に対して、得られる温度の関係を図４のグラフに示す。このグラフは、ダクト径６５０×６５０ｍｍ、風速２．５ｍ／ｓ、にて実測したものである。また、電球２０としてはウシオ電機製の８５ワットのものを１５個用いている。同図に示す温度／電圧のグラフは、縦軸に加熱器１２によって得られる温度、横軸に電球２０に与える電圧値を示す。同グラフによれば、電球２０に印加する電圧と、その電圧に対する温度とは線形関係にあるので、電球２０に印加する電圧を制御することによって温度制御を十分に行えることが分かる。このような構成の加熱器１２によって、電球２０の点灯により生じる輻射熱と伝熱を加熱器１２の熱源として用いることで、温度制御に対する即応性が向上する。
【００２９】
次に、加熱器１２を用いた空調設備について説明する。
【００３０】
図３は、精密環境チャンバ室において適用される本発明に係る空調設備４０の構成を示した図である。同図に示す精密環境チャンバ室４２は、外部と区画壁４３によって隔離され、室内には例えば精密機械の製造ライン、検査装置などが設置される。この精密環境チャンバ室４２では、たとえば許容誤差±１／１０００度オーダ以内で一定に温度が維持されることが要求される。なお、図３には図示していないが、区画壁４３には、開閉扉を有した作業員立ち入り用の出入口が設けられている。
【００３１】
区画壁４３の壁面の図３上で右壁面には、エア供給パネル５６が設けられるとともに、左壁面にはエア吸気パネル５４が設けられている。これらパネル５４、５６はエアを通過させるとともに整流の作用もある多数の孔が形成された、例えばパンチングメタルのような多孔式パネルが用いられている。
【００３２】
吸気パネル５４にはエアダクト１０が接続されている。エアダクト１０には送風機４６に加えて冷却器４８、ダクトユニット１４からなる第１の加熱器５０、及び第２の加熱器５２などの熱源系統が設けられ、このエアダクト１０が供給パネル５６に接続されることで、精密環境チャンバ室４２内のエアを循環できる構成となっている。
【００３３】
前記送風機４６は精密環境チャンバ室４２内のエアを循環する。送風機４６が作動されると、吸気ダクト５４から精密環境チャンバ室４２内のエアをエアダクト１０に吸引し、送風機４６からエアダクト１０のエアを送出する。
【００３４】
前記冷却器４８は、送風機４６によって送出されたエアを所定の温度まで冷却する。この冷却器４８の内部には不図示の冷却コイルが設けられ、送出されたエアがこの冷却コイルに接触して冷却される。なお、この冷却器４８に関する詳細は後述する。
【００３５】
第１の加熱器５０は、前述したようにその内部に電球２０を備えたダクトユニット１４にて構成されている（図１参照）。この第１の加熱器５０の直後でエアダクト１０内には第１の温度センサ６６が設けられ、第１の加熱器５０直後のエアダクト１０内の温度を検出している。この第１の温度センサ６６は第１の制御手段を構成するデジタル調節計６８に接続されており、第１の温度センサ６６の温度情報に基づきデジタル調節計６８によってサイリスタ７０を制御し、サイリスタ７０によって、電源部（不図示）から第１の加熱器５０に所定の電圧値で電力を供給させる。なお、デジタル調節計６８における分解能の性能としては±１／１００度である。このような構成の第１の加熱器５０によって、冷却器４８にて冷却されたエアを要求される温度の近傍まで加熱させる。たとえば、要求温度を摂氏２３．２度とした場合には、第１の加熱器５０によってエアが摂氏２２．９度になるように加熱制御される。
【００３６】
前記第２の加熱器５２もダクトユニット１４から構成され、その内部に電球２０を備えている。また、精密環境チャンバ室４２内には第２の温度センサ７２が設けられ、精密環境チャンバ室４２内の温度を検出している。第２の温度センサ７２は、第２の制御手段を構成するデジタル調節計７４に接続され、第２の温度センサ７２の温度情報に基づきデジタル調節計７４によってサイリスタ７６を制御し、サイリスタ７６によって電源部（不図示）から第２の加熱器５２に所定の電圧で電力を供給させる。ここで、デジタル調節計７４における分解能の性能は、デジタル調節計６８よりも分解能の高いものが用いられ、精密環境チャンバ室４２における温度の±１／１０００度まで可能なものが用いられる。このような構成の第２の加熱器５２によって、第１の加熱器５０にて要求温度の近傍まで加熱されたエアを再度加熱して、精密環境チャンバ室４２にて要求された温度まで加熱する。これにより第２の加熱器５２では、制御熱量の変動が少なく、制御が行いやすいので、エアの安定化が図れる。
【００３７】
かかる構造の空調設備４０によって、供給パネル５６から吹き出された空調エアは吸気パネル５４から吸引されることにより、精密環境チャンバ室４２内でサイドフロー（水平層流）となって流れる。また、精密環境チャンバ室４２では厳しく温度が管理され、精密環境チャンバ室４２を摂氏２３．２度で許容誤差１／１０００度以内の温度で維持できる。とくに、精密環境チャンバ室４２におけるサイドフローによって、精密環境チャンバ室４２内にエアの滞留が生じず、精密環境チャンバ室４２内の温度分布が均等となり易く、乱流などの発生を防止できるので、温度制御性が向上する。
【００３８】
また、エアダクト１０に第１の加熱器５０と第２の加熱器５２を夫々設け、これらを制御するための温度センサをエアダクト１０に取り付けることで、温度分解能の異なる２段階の温度制御を可能として、制御性の優れた空調設備４０を提供できる。とくに、第１の加熱器で要求される温度まで近づけておき、第２の加熱器で所望温度に維持させるので、加熱器の制御熱量の変動を少なくし、精密環境チャンバ室４２の室温の制御が行い易く、また室温の安定化も図れる。
つぎに、冷却器４８と、これを制御する冷水温度制御手段について説明する。冷却器４８の内部には不図示の冷却用コイルが設けられ、前述したように送出されたエアがこの冷却用コイルに接触して冷却される。冷却用コイルには冷水パイプ（水経路）６４が接続されている。この冷水パイプ６４にはクッションタンク７８、冷水製造装置８０、加熱器８２などが備えられ、ポンプＰにて冷水パイプ６４内の冷水を循環できる構成となっている。
【００３９】
クッションタンク７８は、区画された２層の冷水層からなり、冷却器４８から送り出された冷水を一方の冷水層７８ａに蓄積する。また、冷水製造装置８０で製造された冷水も他方の冷水層７８ｂにて蓄積する。
【００４０】
ポンプＰは冷水パイプ６４内の冷水を循環する。ポンプＰが作動されると、クッションタンク７８の他方の冷水層から冷水を吸引し、冷水パイプ６４内の冷水を加熱器８２まで連続して搬送供給させる。
【００４１】
加熱器８２は、伝熱ワイヤをコイル状（または板状）に備えたものが用いられ、不図示の電源部から伝熱ワイヤに通電させることで伝熱ワイヤに熱を発生させ、ポンプＰによって搬送される冷水を伝熱ワイヤに接触させることで、所望の温度まで冷水を加熱させている。この加熱器８２の直後で冷水パイプ６４内には温度センサ８４が設けられ、加熱器８２直後の冷水パイプ６４内の温度を検出している。この温度センサ８４は冷水温度制御手段を構成するデジタル調節計８６に接続されており、温度センサ８４の温度情報に基づきデジタル調節計８６からサイリスタ８８に温度信号を出力させ、サイリスタ８８によってフィードバック制御による制御信号を出力させ、電源部（不図示）から加熱器８２に所定の電圧値で電力を供給させる。このような構成の冷却器４８によって、少なくとも要求される温度よりも１／１００度程度の誤差範囲内まで冷水を冷却させることができる。
【００４２】
このような構成の冷却器４８とデジタル調節計８６によって、所望温度に維持された冷水を連続供給して、冷却器４８に搬送されるエアを一定温度に維持させる。とくに、冷水の流量を制御する従来の冷却器と比較して、即応性が高く、高精度の温度制御が可能で、精密環境チャンバ室４２内の室温の制御も行い易くなるとともに室温の安定化が図れる。
【００４３】
ここで、図５（ａ）は図３に示す空調設備に従来までの伝熱コイルを適用した場合を示し、図５（ｂ）には伝熱コイルに代えて、本発明に係る加熱器を適用した場合の温度の時間変化グラフを示す。なお、これら時間変化グラフにおいて、縦軸には温度、横軸には時間を示し、実線Ｂおよび実線Ｄは図３における第２の温度センサ７２において計測された温度、破線Ｃおよび破線Ｅは同図の温度センサ６６において計測された温度を示している。同グラフにおいて、室温を、従来の伝熱コイルを用いた場合（実線Ｂ）と、本発明の加熱器を適用した場合（実線Ｄ）とを比較すると、伝熱コイルを用いた場合には、上述した実施の形態に示したような高精度の制御を適用しても良好な結果を得られていないが、本発明の加熱器を適用することで室温が格段に安定し、良好な結果を得ていることがわかる。
【００４４】
なお、上述したような実施の形態に示した加熱器および空調設備の構成は、前記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、室内や外気の熱負荷変動が極力小さい場合には、第１の加熱器を従来の伝熱ワイヤをコイル状に巻いたものを用い、下流側の第２の加熱器に電球を用いて構成してもよい。また、精密環境チャンバ室４２でない室内（クリーンルームなど）に、本発明を適用するものであってもよい。この場合は、空気に含まれる塵や埃を除去できる塵埃除去装置を設ければ、クリーンルーム内を高い清浄度に維持できる。また、一般のオフィスビルなどに用いられる空調設備のエアダクトなどにも本発明を適用できる。
【００４５】
さらに、ダクトの形状も角型に限定されるものではなく、例えば、円筒状のダクトであってもよい。また、本実施例では、送風機４６を冷却器４８の上流側に設置したが、第１の加熱器５０の下流側に設置してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明に係る加熱器によれば、電球の点灯により生じる輻射熱と伝熱を加熱器の熱源として用いたので、温度制御に対する即応性が向上する。
【００４７】
また、本発明に係る電球を用いた空調設備によれば、第１及び第２の加熱器を制御するための温度センサを供給経路および空調室の所定の位置に夫々取り付けることで、温度分解能の異なる２段階の温度制御を実施したので、空調室を高精度に温度制御できる空調設備を提供できる。
【００４８】
さらに、本発明に係る空調設備によれば、加熱器はダクトユニットに設けられているので、加熱器全体を修理、交換する場合には、ダクトユニットを供給経路から取り外すだけでよく、よって、交換作業が容易になり、また、蓋を開いてダクトユニットから加熱器を取り出せば、加熱器の各部材のメンテナンスを行うことができる。
【００４９】
また、本発明に係る空調設備によれば、冷水の流量を制御するのではなく、温度制御された一定量の冷水を連続供給してエア温度を制御するので、高精度の温度管理が可能になる。このような冷却器を第１の加熱器の上流側に設置することによって、第１の加熱器による温度制御の負担が軽減するため、第１の加熱器においても高精度な温度制御を実現でき、さらに、第２の加熱器による温度制御も相乗的に向上するので、例えば、１／１０００度オーダで温度制御された一定温度のエアを空調室に供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る加熱器を示した斜視図
【図２】本発明の実施形態に係る加熱器を示した側面図
【図３】本発明の実施形態に係る加熱器を用いた空調設備を示した構成図
【図４】本発明の実施形態に係る加熱器の電圧と温度との関係を示した図
【図５】従来までの空調設備と、本発明に係る加熱器を用いた空調設備の温度の時間変
化グラフを示す図
【符号の説明】
１０…エアダクト（供給経路）、１２…加熱器、１４…ダクトユニット、１６…開口部、１８…蓋、２０…電球、４２…精密環境チャンバ室（空調室）、４８…冷却器、５０…第１の加熱器、５２…第２の加熱器、６４…冷水パイプ（水経路）、６６…第１の温度センサ、６８…デジタル調節計（第１の制御手段）、７２…第２の温度センサ、７４…デジタル調節計（第２の制御手段）、８０…冷水製造装置、８４…温度センサ、８６…デジタル調節計（冷水温度制御手段）、Ｐ…ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱器を用いた空調設備に係り、特に、熱源を内部に備え、供給されるエアを加熱する加熱器が用いられ、空調室の室内温度を一定に保つように空調を制御する空調設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工場等で用いられるクリーンルーム（空調室）等においては、作業環境の条件が厳しく求められる傾向にある。たとえば精密環境チャンバ室等では室内の温度管理が厳しく要求され、特に、実際にその室内で検査作業等が行われる空間においてはその温度変化の変動を±１／１０００度以下に納めることが要求されるなど、空調設備の高精度な温度管理が要求されている。
【０００３】
これを実現するために従来までの空調設備には、室内の温度を所望温度に維持するために加熱器や冷却器が設けられ、室温を温度センサ等によって監視しつつ、これら加熱器や冷却器をフィードバック制御して、室内を一定の温度に維持していた。
【０００４】
ここで、加熱器としては、空調設備のエアダクト（供給経路）内に熱源として電気抵抗の高い伝熱ワイヤをコイル状（または板状）に巻回されたものが用いられ、伝熱ワイヤに通電させることで伝熱ワイヤに熱を発生させ、送風機によって送風されるエアを伝熱ワイヤに接触させることで、所望の温度の加熱エアを得ていた（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
また、冷却器としては、その内部に冷却水やフロンなどの冷水が流れる冷却用コイルが設けられ、冷却用コイルにエアを接触させることで所望温度の冷却エアを得ていた。すなわち、所定の温度に冷却された冷水の流量をポンプで制御して冷却用コイルに供給し、エアを冷却用コイルに接触させてエアを所望の温度に保つ構成としていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２７２９６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加熱器は、伝熱ワイヤを用いているために温度制御に対する即応性が低く、高精度の温度管理が望まれる環境での使用には適さないという欠点があった。
【０００８】
また、従来の冷却器は、冷却用コイルに供給する冷水の供給流量を制御することでエアの温度を制御するものなので、エアの制御温度に対する冷水の流量制御が難しく、たとえば精密環境チャンバ室のドア開閉による空気流出などの外的要因による温度変化に対して即応性が低く、さらに高精度の温度を制御するには不向きであった。
【０００９】
さらに、単一の温度分解能を備えた加熱器または冷却器のいずれかをエアダクトに設けたのみでは、上述したような外的要因などによる温度変化に対して即応性が望めず、また、むやみに複数の加熱器および冷却器を設けたのでは、制御が複雑となるほか、設備費が嵩むという欠点があった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、エアの温度制御に対する即応性を向上させた加熱器を提供するとともに、この加熱器を用いて高精度の温度管理を実施できる空調設備を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、フィラメントを備えた電球を用いるとともに、該フィラメントに通電させて電球を点灯させ、これにより生じる熱を用いて空調室に供給される空調エアを加熱する加熱器が、エアの供給経路の下流側と上流側とに設置され、上流側に設けられた第１の加熱器は、前記第１の加熱器と下流側に取り付けられた第２の加熱器との間の該供給経路に取り付けられている第１の温度センサからのエア温度情報に基づき、第１の制御手段によって±１／１００度の分解能で制御され、前記空調室に供給されるエアの温度を要求温度の±１／１００度以内で調整を行い、前記第２の加熱器は、前記空調室の所定の位置に取り付けられた第２の温度センサからのエア温度情報に基づき、第２の制御手段によって±１／１０００度の分解能で制御され、前記第１の加熱器で温度調整された前記空調室に供給されるエアを要求温度の±１／１０００度以内で調整を行うことを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、電球の点灯により生じる熱を加熱器の熱源として用いることで、温度制御に対する即応性が向上する。
【００１３】
また、本発明では、前記供給経路の上流側に設けられた第１の加熱器は、供給経路に取り付けられた第１の温度センサからの温度情報に基づき、第１の制御手段によって１／１００度の分解能で制御され、前記供給経路の下流側に設けられた第２の加熱器は、前記空調室の所定の位置に取り付けられた第２の温度センサからの温度情報に基づき、第２の制御手段によって１／１０００度の分解能で制御され、該１／１０００度の分解能で温度制御された空調エアが前記所定の位置に供給されることを特徴としている。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記第１の加熱器が設けられた前記供給経路の上流側には、供給される冷水の温度を温度センサで測定し、測定された該冷水の温度情報に基づき、該冷水の温度を制御することにより、前記空調室に供給するエアの温度調整を行なう冷却器が備えられていることを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明によれば、冷水の流量を制御するのではなく、加熱器により温度制御された一定量の冷水を連続供給してエア温度を制御するので、高精度の温度管理が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る加熱器およびこの加熱器を用いた空調設備の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２０】
図１は本発明の加熱器がエアダクト１０（供給経路）に設けられた例を示す斜視図である。同図に示すようにエアダクト１０は、加熱器１２が設けられたダクトユニット１４と、このダクトユニット１４に着脱自在に連結された上流側エアダクト１０ａおよび下流側エアダクト１０ｂから構成される。これにより、上流側エアダクト１０ａから供給されてきたエアは加熱器１２に加熱された後、下流側エアダクト１０ｂに流される。
【００２１】
ダクトユニット１４の側面には、加熱器１２を取り出すための矩形状開口部１６が形成されるとともに、この開口部１６を開閉する蓋１８がヒンジ１７、１７を介して取り付けられている。蓋１８には取手１９が取り付けられ、また、蓋１８は不図示のロック機構によって施錠・開錠可能となっている。
【００２２】
加熱器１２は、１５個の電球２０、２０…から構成され、これらの電球２０、２０…は下フレーム２２、縦フレーム２４、及び上フレーム２５を組み付けてエ字状に形成されたフレーム構造体の所定の位置に取り付けられている。
【００２３】
フレーム構造体の下フレーム２２および上フレーム２５は、図２に示すようにダクトユニット１４の内側の天井面および床面に設けられたレール２８、２８に挟まれて摺動可能に支持されており、それぞれのレール２８、２８…がダクトユニット１４の軸方向と直交する方向に配設されることで、フレーム構造体がその方向に開口部１６を介して取り出し、収納可能となっている。
【００２４】
下フレーム２２、上フレーム２５の両端部には電球ソケット２６，２６…が設けられ、縦フレーム２４の中央位置にも電球ソケット２６が設けられている。これらの電球ソケット２６，２６…に電球２０、２０…が取り付けられた際には、電球２０のガラス球がエアの送風方向（矢印Ａ）に対向する（図２における右側に電球２０のガラス球が向く）。なお、不図示の配線がこれら電球ソケット２６，２６…の夫々に接続されるとともに、不図示の電源部にこの配線が接続されており、後述するサイリスタ７０または７６（図３参照）によって電圧が制御される。ここで、電球ソケット２６，２６…の夫々の接続は直列・並列接続を問わない。また、下フレーム２２および上フレーム２５に夫々設けられる電球ソケット２６，２６…の取り付け位置は、ダクトユニットの高さ寸法の１／１０〜２／１０程度（ｄ）、天井面または床面から離れた位置に設定している。これにより、ダクトユニットの縦断面においてエアの温度分布が均等になる。
【００２５】
電球２０としては、金属フィラメント（タングステン線などでもよい）を通電可能に封入したハロゲン電球が用いられる。ダクトユニット１４の外側には、同図に示すようにフランジ３４，３４…が設けられており、ダクトユニット１４は、このフランジ３４，３４…を介してエアダクト１０ａ，１０ｂに取り付けられている。これにより、エアダクト１０にダクトユニット１４が着脱自在に取り付けられており、たとえば加熱器１２全体の故障などにおいて、その交換作業を容易としている。また、ユニット化されたダクトユニット１４によって、エアダクト１０に対する設計の自由度が増し、ダクトユニット１４の設置数や配置箇所の変更も容易に行える。例えば、後からダクトユニット１４を増設する場合には、そのダクトユニット１４を設置する位置のエアダクト１０を取り外して、その位置にダクトユニット１４を設置すればよい。
【００２６】
なお、エアダクト１０ａ，１０ｂには、熱の遮断・保温に用いる断熱材３０，３２が設けられており、エアダクト１０の壁面全面を覆うようにこれら断熱材３０，３２が取り付けられていることで、エアダクト１０の内部と外部との間で、熱拡散や熱吸収を防ぎ、外乱による熱の影響を最大限に防いでいる。なお、この断熱材３０としてはガラス繊維・発泡スチロール・コルク質の類が用いられる。また、ダクトユニット１４におけるエアダクト１０ａ側（すなわち上流側）に不図示の金網を設けて、異物の進入を防止する構成としてもよい。
【００２７】
ここで、一般的な電球は、点灯することによってガラス球の表面が輻射熱にて加熱される。この輻射熱を利用してガラス球に接触したエアを伝熱により加熱させるのが本発明の特徴であり、また従来までの伝熱コイルを用いたものと比較して、肉厚の薄いガラス球により良好な即応性が得ることができる。
【００２８】
ここで、加熱器１２に対して与えられる電圧に対して、得られる温度の関係を図４のグラフに示す。このグラフは、ダクト径６５０×６５０ｍｍ、風速２．５ｍ／ｓ、にて実測したものである。また、電球２０としてはウシオ電機製の８５ワットのものを１５個用いている。同図に示す温度／電圧のグラフは、縦軸に加熱器１２によって得られる温度、横軸に電球２０に与える電圧値を示す。同グラフによれば、電球２０に印加する電圧と、その電圧に対する温度とは線形関係にあるので、電球２０に印加する電圧を制御することによって温度制御を十分に行えることが分かる。このような構成の加熱器１２によって、電球２０の点灯により生じる輻射熱と伝熱を加熱器１２の熱源として用いることで、温度制御に対する即応性が向上する。
【００２９】
次に、加熱器１２を用いた空調設備について説明する。
【００３０】
図３は、精密環境チャンバ室において適用される本発明に係る空調設備４０の構成を示した図である。同図に示す精密環境チャンバ室４２は、外部と区画壁４３によって隔離され、室内には例えば精密機械の製造ライン、検査装置などが設置される。この精密環境チャンバ室４２では、たとえば許容誤差±１／１０００度オーダ以内で一定に温度が維持されることが要求される。なお、図３には図示していないが、区画壁４３には、開閉扉を有した作業員立ち入り用の出入口が設けられている。
【００３１】
区画壁４３の壁面の図３上で右壁面には、エア供給パネル５６が設けられるとともに、左壁面にはエア吸気パネル５４が設けられている。これらパネル５４、５６はエアを通過させるとともに整流の作用もある多数の孔が形成された、例えばパンチングメタルのような多孔式パネルが用いられている。
【００３２】
吸気パネル５４にはエアダクト１０が接続されている。エアダクト１０には送風機４６に加えて冷却器４８、ダクトユニット１４からなる第１の加熱器５０、及び第２の加熱器５２などの熱源系統が設けられ、このエアダクト１０が供給パネル５６に接続されることで、精密環境チャンバ室４２内のエアを循環できる構成となっている。
【００３３】
前記送風機４６は精密環境チャンバ室４２内のエアを循環する。送風機４６が作動されると、吸気ダクト５４から精密環境チャンバ室４２内のエアをエアダクト１０に吸引し、送風機４６からエアダクト１０のエアを送出する。
【００３４】
前記冷却器４８は、送風機４６によって送出されたエアを所定の温度まで冷却する。この冷却器４８の内部には不図示の冷却コイルが設けられ、送出されたエアがこの冷却コイルに接触して冷却される。なお、この冷却器４８に関する詳細は後述する。
【００３５】
第１の加熱器５０は、前述したようにその内部に電球２０を備えたダクトユニット１４にて構成されている（図１参照）。この第１の加熱器５０の直後でエアダクト１０内には第１の温度センサ６６が設けられ、第１の加熱器５０直後のエアダクト１０内の温度を検出している。この第１の温度センサ６６は第１の制御手段を構成するデジタル調節計６８に接続されており、第１の温度センサ６６の温度情報に基づきデジタル調節計６８によってサイリスタ７０を制御し、サイリスタ７０によって、電源部（不図示）から第１の加熱器５０に所定の電圧値で電力を供給させる。なお、デジタル調節計６８における分解能の性能としては±１／１００度である。このような構成の第１の加熱器５０によって、冷却器４８にて冷却されたエアを要求される温度の近傍まで加熱させる。たとえば、要求温度を摂氏２３．２度とした場合には、第１の加熱器５０によってエアが摂氏２２．９度になるように加熱制御される。
【００３６】
前記第２の加熱器５２もダクトユニット１４から構成され、その内部に電球２０を備えている。また、精密環境チャンバ室４２内には第２の温度センサ７２が設けられ、精密環境チャンバ室４２内の温度を検出している。第２の温度センサ７２は、第２の制御手段を構成するデジタル調節計７４に接続され、第２の温度センサ７２の温度情報に基づきデジタル調節計７４によってサイリスタ７６を制御し、サイリスタ７６によって電源部（不図示）から第２の加熱器５２に所定の電圧で電力を供給させる。ここで、デジタル調節計７４における分解能の性能は、デジタル調節計６８よりも分解能の高いものが用いられ、精密環境チャンバ室４２における温度の±１／１０００度まで可能なものが用いられる。このような構成の第２の加熱器５２によって、第１の加熱器５０にて要求温度の近傍まで加熱されたエアを再度加熱して、精密環境チャンバ室４２にて要求された温度まで加熱する。これにより第２の加熱器５２では、制御熱量の変動が少なく、制御が行いやすいので、エアの安定化が図れる。
【００３７】
かかる構造の空調設備４０によって、供給パネル５６から吹き出された空調エアは吸気パネル５４から吸引されることにより、精密環境チャンバ室４２内でサイドフロー（水平層流）となって流れる。また、精密環境チャンバ室４２では厳しく温度が管理され、精密環境チャンバ室４２を摂氏２３．２度で許容誤差１／１０００度以内の温度で維持できる。とくに、精密環境チャンバ室４２におけるサイドフローによって、精密環境チャンバ室４２内にエアの滞留が生じず、精密環境チャンバ室４２内の温度分布が均等となり易く、乱流などの発生を防止できるので、温度制御性が向上する。
【００３８】
また、エアダクト１０に第１の加熱器５０と第２の加熱器５２を夫々設け、これらを制御するための温度センサをエアダクト１０に取り付けることで、温度分解能の異なる２段階の温度制御を可能として、制御性の優れた空調設備４０を提供できる。とくに、第１の加熱器で要求される温度まで近づけておき、第２の加熱器で所望温度に維持させるので、加熱器の制御熱量の変動を少なくし、精密環境チャンバ室４２の室温の制御が行い易く、また室温の安定化も図れる。
つぎに、冷却器４８と、これを制御する冷水温度制御手段について説明する。冷却器４８の内部には不図示の冷却用コイルが設けられ、前述したように送出されたエアがこの冷却用コイルに接触して冷却される。冷却用コイルには冷水パイプ（水経路）６４が接続されている。この冷水パイプ６４にはクッションタンク７８、冷水製造装置８０、加熱器８２などが備えられ、ポンプＰにて冷水パイプ６４内の冷水を循環できる構成となっている。
【００３９】
クッションタンク７８は、区画された２層の冷水層からなり、冷却器４８から送り出された冷水を一方の冷水層７８ａに蓄積する。また、冷水製造装置８０で製造された冷水も他方の冷水層７８ｂにて蓄積する。
【００４０】
ポンプＰは冷水パイプ６４内の冷水を循環する。ポンプＰが作動されると、クッションタンク７８の他方の冷水層から冷水を吸引し、冷水パイプ６４内の冷水を加熱器８２まで連続して搬送供給させる。
【００４１】
加熱器８２は、伝熱ワイヤをコイル状（または板状）に備えたものが用いられ、不図示の電源部から伝熱ワイヤに通電させることで伝熱ワイヤに熱を発生させ、ポンプＰによって搬送される冷水を伝熱ワイヤに接触させることで、所望の温度まで冷水を加熱させている。この加熱器８２の直後で冷水パイプ６４内には温度センサ８４が設けられ、加熱器８２直後の冷水パイプ６４内の温度を検出している。この温度センサ８４は冷水温度制御手段を構成するデジタル調節計８６に接続されており、温度センサ８４の温度情報に基づきデジタル調節計８６からサイリスタ８８に温度信号を出力させ、サイリスタ８８によってフィードバック制御による制御信号を出力させ、電源部（不図示）から加熱器８２に所定の電圧値で電力を供給させる。このような構成の冷却器４８によって、少なくとも要求される温度よりも１／１００度程度の誤差範囲内まで冷水を冷却させることができる。
【００４２】
このような構成の冷却器４８とデジタル調節計８６によって、所望温度に維持された冷水を連続供給して、冷却器４８に搬送されるエアを一定温度に維持させる。とくに、冷水の流量を制御する従来の冷却器と比較して、即応性が高く、高精度の温度制御が可能で、精密環境チャンバ室４２内の室温の制御も行い易くなるとともに室温の安定化が図れる。
【００４３】
ここで、図５（ａ）は図３に示す空調設備に従来までの伝熱コイルを適用した場合を示し、図５（ｂ）には伝熱コイルに代えて、本発明に係る加熱器を適用した場合の温度の時間変化グラフを示す。なお、これら時間変化グラフにおいて、縦軸には温度、横軸には時間を示し、実線Ｂおよび実線Ｄは図３における第２の温度センサ７２において計測された温度、破線Ｃおよび破線Ｅは同図の温度センサ６６において計測された温度を示している。同グラフにおいて、室温を、従来の伝熱コイルを用いた場合（実線Ｂ）と、本発明の加熱器を適用した場合（実線Ｄ）とを比較すると、伝熱コイルを用いた場合には、上述した実施の形態に示したような高精度の制御を適用しても良好な結果を得られていないが、本発明の加熱器を適用することで室温が格段に安定し、良好な結果を得ていることがわかる。
【００４４】
なお、上述したような実施の形態に示した加熱器および空調設備の構成は、前記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、室内や外気の熱負荷変動が極力小さい場合には、第１の加熱器を従来の伝熱ワイヤをコイル状に巻いたものを用い、下流側の第２の加熱器に電球を用いて構成してもよい。また、精密環境チャンバ室４２でない室内（クリーンルームなど）に、本発明を適用するものであってもよい。この場合は、空気に含まれる塵や埃を除去できる塵埃除去装置を設ければ、クリーンルーム内を高い清浄度に維持できる。また、一般のオフィスビルなどに用いられる空調設備のエアダクトなどにも本発明を適用できる。
【００４５】
さらに、ダクトの形状も角型に限定されるものではなく、例えば、円筒状のダクトであってもよい。また、本実施例では、送風機４６を冷却器４８の上流側に設置したが、第１の加熱器５０の下流側に設置してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明に係る加熱器によれば、電球の点灯により生じる輻射熱と伝熱を加熱器の熱源として用いたので、温度制御に対する即応性が向上する。
【００４７】
また、本発明に係る電球を用いた空調設備によれば、第１及び第２の加熱器を制御するための温度センサを供給経路および空調室の所定の位置に夫々取り付けることで、温度分解能の異なる２段階の温度制御を実施したので、空調室を高精度に温度制御できる空調設備を提供できる。
【００４８】
さらに、本発明に係る空調設備によれば、加熱器はダクトユニットに設けられているので、加熱器全体を修理、交換する場合には、ダクトユニットを供給経路から取り外すだけでよく、よって、交換作業が容易になり、また、蓋を開いてダクトユニットから加熱器を取り出せば、加熱器の各部材のメンテナンスを行うことができる。
【００４９】
また、本発明に係る空調設備によれば、冷水の流量を制御するのではなく、温度制御された一定量の冷水を連続供給してエア温度を制御するので、高精度の温度管理が可能になる。このような冷却器を第１の加熱器の上流側に設置することによって、第１の加熱器による温度制御の負担が軽減するため、第１の加熱器においても高精度な温度制御を実現でき、さらに、第２の加熱器による温度制御も相乗的に向上するので、例えば、１／１０００度オーダで温度制御された一定温度のエアを空調室に供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る加熱器を示した斜視図
【図２】本発明の実施形態に係る加熱器を示した側面図
【図３】本発明の実施形態に係る加熱器を用いた空調設備を示した構成図
【図４】本発明の実施形態に係る加熱器の電圧と温度との関係を示した図
【図５】従来までの空調設備と、本発明に係る加熱器を用いた空調設備の温度の時間変
化グラフを示す図
【符号の説明】
１０…エアダクト（供給経路）、１２…加熱器、１４…ダクトユニット、１６…開口部、１８…蓋、２０…電球、４２…精密環境チャンバ室（空調室）、４８…冷却器、５０…第１の加熱器、５２…第２の加熱器、６４…冷水パイプ（水経路）、６６…第１の温度センサ、６８…デジタル調節計（第１の制御手段）、７２…第２の温度センサ、７４…デジタル調節計（第２の制御手段）、８０…冷水製造装置、８４…温度センサ、８６…デジタル調節計（冷水温度制御手段）、Ｐ…ポンプ
Claims (2)
- フィラメントを備えた電球を用いるとともに、該フィラメントに通電させて電球を点灯させ、これにより生じる熱を用いて空調室に供給される空調エアを加熱する加熱器が、エアの供給経路の下流側と上流側とに設置され、
上流側に設けられた第１の加熱器は、前記第１の加熱器と下流側に取り付けられた第２の加熱器との間の該供給経路に取り付けられている第１の温度センサからのエア温度情報に基づき、第１の制御手段によって±１／１００度の分解能で制御され、前記空調室に供給されるエアの温度を要求温度の±１／１００度以内で調整を行い、
前記第２の加熱器は、前記空調室の所定の位置に取り付けられた第２の温度センサからのエア温度情報に基づき、第２の制御手段によって±１／１０００度の分解能で制御され、前記第１の加熱器で温度調整された前記空調室に供給されるエアを要求温度の±１／１０００度以内で調整を行うことを特徴とするクリーンルームの精密環境チャンバ用空気調和制御装置。 - 前記第１の加熱器が設けられた前記供給経路の上流側には、供給される冷水の温度を温度センサで測定し、測定された該冷水の温度情報に基づき、該冷水の温度を制御することにより、前記空調室に供給するエアの温度調整を行なう冷却器が備えられていることを特徴とする請求項１に記載のクリーンルームの精密環境チャンバ用空気調和制御装置。
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