JP3682154B2 - クリーンルーム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造設備などで利用されるクリーンルームに関し、特に熱交換器により温度調節を実施するクリーンルームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、クリーンルームの温度調節方式には、次の２種類がある。
第１の方式では、実公平６−４８２５６号公報に示されるように、循環空気の通気断面積いっぱいに配置される冷却器を設け、前記冷却器の表面温度を、循環空気との温度差が小さくなるように調節する。
【０００３】
第２の方式では、還気流路にファンコイルユニットを設け、循環空気の一部をこれに通す。ファンコイルユニットは、冷却器及び送風機で構成されるユニットである。ファンコイルユニットにおいては、冷却器の表面温度と循環空気との温度差が比較的大きい。
クリーンルームの室の湿度の変動は小さく、かつ、湿度変動を抑制することが望ましい。また、材料の熱膨張回避などのために室内への給気の温度むらを除去することが不可欠である。従って、製品歩留まりの維持の観点から、前記第１の方式が、現在は主流になっている。
【０００４】
しかしながら、熱交換器は、腐食の防止のために、材料として銅が用いられているので高価である。熱交換器の列数は、乾き冷却器（熱交換コイルの表面温度が通過空気の結露点よりも高く表面で結露しない熱交換器）を用いる場合には、入口と出口の温度差を大きくとらず、循環空気量を大きくすること、及び静圧の増大を防ぐ必要性から、一般的に２列、多くても４列とされている。従って、列数をそれより少なくすることには無理がある。
【０００５】
一方、コイルの幅を小さくして、循環空気の一部をバイパスさせることが考えられる。しかし、その場合には、循環流路の断面において温度むらが生じるので、室内に給気したときには、平面的に温度分布が均一にならない、という問題が生じる。
また、特許第２６２７６１３号明細書では、熱交換器専用の送風機を空気循環用送風機とは別に設け、熱交換器の小型化と静圧増大の防止を図っている。しかしながら、精密加工に耐える気流の混合はなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、還気流路の途中で、例えば流路が直角に曲がっているような場合、曲がり部に乱流域が生じ、大きな圧力損失をきたす。本件技術には、熱交換手段をこの場所に設けることによって「熱交換器による圧力損失」を少しでも和らげる意図もある。
【０００７】
また、流路中の圧力分布が均一でなくなり、高圧域と低圧域が形成される。即ち、図５に示すように、流路外側の入隅に高圧部が形成され、流路内側に傾斜した圧カ勾配が形成される。
但し、このような圧力勾配中を空気が通過するとき、特に内側を通過する空気は、曲がり部に到達する直前から、比較的きれいに方向を変え、外側を通過する空気と混合されずに、上向層流となる。これは、図５中に点線で示した熱交換手段を設置しても有効な改善にはならない。
【０００８】
本発明は、熱交換器による圧力損失の増大を抑えること、熱交換器のコストダウンを可能にすること、室内空気の温度分布を均一にすること、及び省スペースを達成することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１のクリーンルームは、空調室と、前記空調室の排気口と給気口との間を連通する還気流路と、前記還気流路中に配置された熱交換器を備えるクリーンルームにおいて、熱交換手段を、前記還気流路中の流路の方向が変わる角部分の近傍に、傾斜した状態で配置するとともに、前記熱交換手段上に、バイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路を流れる流体の進行方向を調節する、傾きが可変の偏向羽根部材とを備える少なくとも１つのバイパス手段と、熱交換器がほぽ同一面上に並んだ状態で、前記バイパス手段と前記熱交換器を一体に構成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項２は、請求項１記載のクリーンルームにおいて、前記熱交換器及び前記バイパス手段の底部及び頂部の壁が、前記温調手段の面に垂直な軸に対して、傾斜した状態で配置されたことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
（請求項１）
還気流路中の流路の方向が変わる角部分では、特別な工夫をしない限り、流路中の圧力分布が均一でなくなり、高圧域と低圧域が形成される傾向がある。
【００１２】
本発明では、前記還気流路中の流路の方向が変わる角部分の近傍に、熱交換手段が傾斜した状態で配置される。また、熱交換手段のバイパス手段には、傾きが可変の偏向羽根部材が備わっている。
前記偏向羽根部材の傾きが可変なので、温調手段の熱交換器を通った空気流の進行方向と、温調手段のバイパス手段を通った空気流の進行方向とが異なるように調整できる。
【００１３】
従って、互いに進行方向の異なる、熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流とにより、流路中に比較的大きな乱流域を形成できる。この乱流域の存在により、熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流との混合が促進される。
また特に、前記熱交換手段が、前記還気流路中の流路の方向が変わる角部分の近傍に存在するので、前記偏向羽根部材の働きで生ずる上昇流の誘引効果により、図５に示す高圧域に滞留する空気の流動が促進される。
【００１４】
従って、流路中の圧力分布が均一化され、熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流との混合が促進され、温度分布が均一化される。しかも、熱交換手段の部分の空気抵抗が低減され、空気流の循環に必要な送風カが低減される。
また、空気流の一部分が熱交換器をバイパスするので、コイルの面積が縮小し、設備費用が低滅されるとともに、空気流の循環に必要な送風力が低減される。
【００１５】
クリーンルームの空間において、一般に、床下などの空間は、ユーティリティ配管，防災機器などの設置空間と保守点検空間を兼ねるが、還気流路の角部はデッドスペースとされている。しかし、本発明では、還気流路の角部も有効に利用できる。
【００１６】
前記偏向羽根部材の傾きに応じて、前記バイパス流路の開度が変わるので、前記バイパス流路を通過する空気の流量を調整できる。この調整により、前記熱交換器を通る空気と前記バイパス流路を通る空気との比率を変え、クリーンルームの温度調整能力を変更できる。
また、バイパス手段を複数備える場合には、熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流との、進行方向と分布状態を、上下方向により細かく調整できる。従って、熱交換器を通った空気流とバイパス手段を通った空気流との混合が促進され、空気流の温度分布が均一化される。
【００１７】
特に、最も外側に配置されるバイパス手段の働きにより、流路の外側入隅に形成される滞留域が解消され、系の流路抵抗が更に低減される。
（請求項２）
熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流との、混合を促進するためには、バイパス手段を通った空気流の進行方向を、前記温調手段の面に垂直な軸に対して傾けるために、前記偏向羽根部材の向きも、前記軸に対して傾ける必要がある。
【００１８】
前記熱交換器と前記バイパス手段との境界の壁面を、前記偏向羽根部材と同様に、前記温調手段の面に垂直な軸に対して傾けることにより、前記偏向羽根部材を傾けた標準状態での、前記バイパス手段の流路の開度を大きくできる。
従って、前記バイパス手段の開口面積が比較的小さい場合でも、前記バイパス手段を通る空気の流量を、比較的大きくできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
この形態の装置の構成と動作を、図１，図２，図３及び図４に示す。この形態は、請求項１に対応する。
図１は、クリーンルーム１とそれを通って循環する空気の流路を示す縦断面図、図２は、図１の一部分を拡大して示す縦断面図、図３は、図２に示す空調ユニット１０の正面図である。図４は、空調ユニット１０を通る空気と空調ユニット１０から出た空気の、各位置での進行方向を示す模式図である。
【００２０】
この形態では、請求項１における空調室，偏向羽根部材，バイパス手段，熱交換器及び熱交換手段は、それぞれ、図２に示すクリーンルーム１，羽根１３ａ〜１３ｃ，ダンパ部１３，熱交換部１１，１２及び空調ユニット１０として具体化されている。
まず、図１を参照して、空調システムの全体の概要を説明する。なお、図１に示す矢印は、空気の流通方向を示している。
【００２１】
この例では、クリーンルーム１は、図示しない建物の２階に配置されている。クリーンルーム１の空間内には、その天井１ａに設けられた送風機２，３及び４によって、空気が導入される。送風機２，３及び４の各々には、高性能フィルタ５が内蔵されているので、クリーンルーム１には、清浄化された空気が導入される。
【００２２】
クリーンルーム１の空間内では、矢印で示すように、空気は上から下に向かって流れる。クリーンルーム１の床面は、格子状に形成されたグレーチング床１ｂで構成されているので、空気は、グレーチング床１ｂを通って、クリーンルーム１から１階のユーティリティ空間６に排出される。
排出された空気は、ユーティリティ空間６から、クリーンルーム１に隣接する位置に形成された還気流路７を通って上昇し、クリーンルーム１の上に形成された天井空間８に進入する。そして、空気は、送風機２，３及び４を通って再びクリーンルーム１に導入される。
【００２３】
つまり、空気は、天井空間８−クリーンルーム１−ユーティリティ空間６−還気流路７−天井空間８−・・・の経路を通って循環する。
ユーティリティ空間６と還気流路７との境界の角部分には、傾斜した状態で、空調ユニット１０が設置されている。空調ユニット１０は、空気の温度制御に利用される。還気流路７の途中には、送風機９が設置されている。
【００２４】
次に、図２及び図３を参照して、空調ユニット１０について説明する。空調ユニット１０は、熱交換部１１，１２とダンパ部１３で構成されている。熱交換部１１，１２とダンパ部１３は、空調ユニット１０の両端部に配置されたフレーム部材１０ａ，１０ｂに固定され、一体化されている。
熱交換部１１及び１２は、各々、ドライコイルを構成する熱交換器である。つまり、熱交換部１１及び１２は、図３に示すパイプ１１ａ及び１２ａに導入される流体の熱量によって、熱交換部１１及び１２を厚み方向に通過する空気の温度を調整する。
【００２５】
ダンパ部１３は、並べて配置された薄板状の羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃを備えている。羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの幅方向の中央部に配置された回転軸１３ｄは、両端がフレーム部材１０ａ，１０ｂによって回動自在に支持されている。
羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの、各々の回転軸１３ｄの一端は、減速機１４を介して、直流電気モータ１５の駆動軸に連結されている。また、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの傾きを検出するために、直流電気モータ１５の駆動軸には、ロークリーエンコーダ１６が接続されている。
【００２６】
直流電気モータ１５を駆動すると、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃが同時に同じ量だけ駆動され、傾きが変化する。３つの羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃは、傾きが同一になるように予め調整されている。
羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの傾きを変えると、ダンパ部１３の開口面積（開度）が変化し、ダンパ部１３を通る空気の流量が変化する。直流電気モータ１５を制御する電気回路については示してないが、必要に応じて、直流電気モータ１５を駆動し、ダンパ部１３の開度を変えることができる。
【００２７】
この例では、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの最も重要な機能は、ダンパ部１３を通過する空気の、進行方向を変えることである。これについて、以下に詳細に説明する。
図２に示した空調ユニット１０を用いる場合、クリーンルーム１から排気された空気の一部分が、ダンパ部１３を通り、熱交換部１１及び１２をバイパスするので、空気の循環のために必要な送風力を、低減できる。
【００２８】
但し、熱交換部１１及び１２を通った空気と、ダンパ部１３を通った空気とは、互いに温度が違うので、両者の空気流を十分に混合しないと、空気中の温度分布が不均一になる。
空調ユニット１０の面に対して垂直な方向に、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの傾きを調整した場合には、各部の空気流の進行方向は、図５とあまり変わらないので、空気中の温度分布は不均一になる。
【００２９】
図４は、空調ユニット１０の面に垂直な軸に対して、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの向きを傾斜させ、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃが、ダンパ部１３を通る空気流の方向を、強制的に変えるように調整した場合の、各部の空気流の進行方向を示している。
特に、図４の例では、ユーティリティ空間６と還気流路７の境界部分の流路の向きの変化に合わせて、ダンパ部１３を通る空気流の方向が、上側に向くように、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃの傾きを調整してある。
【００３０】
図４を参照すると、羽根１３ａ，１３ｂ及び１３ｃによって、ダンパ部１３を通る空気流の進行方向が、上側に強制的に曲げられているので、空気流の集中が生じにくく、高圧域も生じないことが分かる。
図４の状態では、空調ユニット１０の下流の圧力分布が均一になるので、熱交換部１１及び１２を通った空気と、ダンパ部１３を通った空気とが混合しやすい。 また、図４の状態では、ダンパ部１３を通る空気流の進行方向を曲げているので、乱流域が比較的広く、この乱流域で、熱交換部１１及び１２を通った空気と、ダンパ部１３を通った空気との混合が促進される。従って、循環する空気の温度分布も均一になる。
【００３１】
なお、ダンパ開度を調整する場含には、ダンパを絞り、あるいはダンパ開度を大きくするのに対応して、熱交換器を流れる熱媒の流量を少なく、あるいは多くして、所定の給気温度を補償することができる。
（第２の実施の形態）
この形態では、図６に示す空調ユニット１０Ｂが、空調ユニット１０の代わりに用いられる。それ以外の構成は、第１の実施の形態と同一である。この形態は、請求項１及び請求項２に対応する。
【００３２】
この形態では、請求項１における偏向羽根部材，バイパス手段，熱交換器及び熱交換手段は、それぞれ、図６に示す羽根２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ，ダンパ部２１，２２，熱交換部１１Ｂ，１２Ｂ及び空調ユニット１０Ｂとして具体化されている。
図６を参照して説明する。空調ユニット１０Ｂは、熱交換部１１Ｂ，１２Ｂとダンパ部２１，２２で構成されている。２つのダンパ部２１，２２を備え、これらが互いに難れた位置に配置されているのが、空調ユニット１０Ｂの１つの特徴である。
【００３３】
つまり、熱交換部１１Ｂ，１２Ｂとダンパ部２１，２２が交互に配置されているので、流路中の上下方向の２箇所で、それぞれ、空気流の進行方向を曲げることができる。このため、熱交換部１１Ｂ，１２Ｂを通った空気流と、ダンパ部２１，２２を通った空気流との混合が、より促進される。
ダンパ部２１は、羽根２１ａ，２１ｂ及び２１ｃを備え、ダンパ部２２は、羽根２２ａ，２２ｂ及び２２ｃを備えている。空調ユニット１０と同様に、羽根２１ａ，２１ｂ及び２１ｃは、回転軸２１ｄで支持され、傾きの調整が可能になっている。また、羽根２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、回転軸２２ｄで支持され、傾きの調整が可能になっている。
【００３４】
熱交換部１１Ｂ，１２Ｂの機能及び構成は、第１の実施の形態の、熱交換部１１，１２と同様である。但し、熱交換部１１Ｂ，１２Ｂとダンパ部２１，２２との、境界の壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃは、空調ユニット１０Ｂの面に垂直な方向（厚み方向）の軸Ｘに対して、傾斜している。
また、ダンパ部２１の羽根２１ａ，２１ｂの境界部分、及び羽根２１ｂ，２１ｃの境界部分には、それぞれ、隔壁２１ｅ及び２１ｆが形成してある。これらの隔壁２１ｅ及び２１ｆは、前記壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃと平行に配置してある。
【００３５】
同様に、ダンパ部２２の羽根２２ａ，２２ｂの境界部分、及び羽根２２ｂ，２２ｃの境界部分には、それぞれ、隔壁２２ｅ及び２２ｆが形成してある。これらの隔壁２２ｅ及び２２ｆは、前記壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃと平行に配置してある。
壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃが、軸Ｘに対して傾斜しているのは、通常の使用状態での、ダンパ部２１，２２の開度を大きくするためである。
【００３６】
通常の使用状態では、ダンパ部２１，２２を通過する空気流の、進行方向を曲げるために、羽根２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの向きを、軸Ｘに対して傾斜させる必要がある。従って、もしも壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃが軸Ｘと平行なら、ダンパ部２１，２２の開度をかなり小さくした状態で使用せざるを得ない。
【００３７】
図６の空調ユニット１０Ｂの場合、壁面２３ａ，２３ｂ及び２３ｃが、軸Ｘに対して傾斜しているので、ダンパ部２１，２２の開度が１００％に近い状態で、これを使用できる。
従って、ダンパ部２１，２２の開口面積が比較的小さい場合でも、熱交換部１１Ｂ，１２Ｂをバイパスしてダンパ部２１，２２に流れる空気の流量を大きくできる。
【００３８】
もちろん、羽根２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの傾斜角を更に大きくして、ダンパ部２１，２２の開度を小さくすれば、ダンパ部２１，２２の流量を制限できる。
なお、偏向羽根部材の角度は、必ずしも自動制御によって可変としなくても良い。外調機と室内循環用の熱交換器からなるシステムでは、試運転時に、手動で室内温度分布の均一化が達成されれば、あとは偏向羽根部材の角度を固定していても、クリーンルームの満足な稼働が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
（請求項１）
前記偏向羽根部材の働きにより、流路中の圧力分布が均一化され、熱交換器を通った空気流と、バイパス手段を通った空気流との混合が促進され、温度分布が均一化される。
【００４０】
また、空気流の一部分が熱交換器をバイパスするので、空気流の循環に必要な送風力が低滅される。
前記偏向羽根部材の傾きに応じて、前記バイパス流路の開度が変わるので、前記バイパス流路を通過する空気の流量を調整できる。この調整により、前記熱交換器を通る空気と前記バイパス流路を通る空気との比率を変え、クリーンルームの温度調整能力を変更できる。
【００４１】
（請求項２）
前記熱交換器と前記バイパス手段との境界の壁面を、前記偏向羽根部材と同様に、前記温調手段の面に垂直な軸に対して傾けることにより、前記偏向羽根部材を傾けた標準状態での、前記バイパス手段の流路の開度を大きくできる。
従って、前記バイパス手段の開口面積が比較的小さい場合でも、前記バイパス手段を通る空気の流量を、比較的大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クリーンルーム１とそれを通って循環する空気の流路を示す縦断面図である。
【図２】図１の一部分を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２に示す空調ユニット１０の正面図である。
【図４】空調ユニット１０を通る空気と空調ユニット１０から出た空気の、各位置での進行方向を示す模式図である。
【図５】クリーンルームの還気流洛における各位置での空気流の進行方向を示す模式図である。
【図６】第２の実施の形態における空調ユニット１０Ｂを、側面方向から見た縦断面図である。
【符号の説明】
１ クリーンルーム
１ａ 天井
１ｂ グレーチング床
２，３，４ 送風機
５ 高性能フィルタ
６ ユーティリティ空間
７ 還気流路
８ 天井空間
９ 送風機
１０，１０Ｂ 空調ユニット
１０ａ，１０ｂ フレーム部材
１１，１２，１１Ｂ，１２Ｂ 熱交換部
１１ａ，１２ａ パイプ
１３，２１，２２ ダンパ部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 羽根
１３ｄ 回転軸
１４ 減速機
１５ 直流電気モータ
１６ ロータリーエンコーダ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 羽根
２１ｄ，２２ｄ 回転軸
２１ｅ，２１ｆ，２２ｅ，２２ｆ 隔壁
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 壁面

Claims (2)

1. 空調室と、前記空調室の排気口と給気口との間を連通する還気流路と、前記還気流路中に配置された熱交換器を備えるクリーンルームにおいて、
   熱交換手段を、前記還気流路中の流路の方向が変わる角部分の近傍に、傾斜した状態で配置するとともに、
   前記熱交換手段上に、
   バイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路を流れる流体の進行方向を調節する、傾きが可変の偏向羽根部材とを備える少なくとも１つのバイパス手段と、
   熱交換器
   がほぼ同一面上に並んだ状態で、前記バイパス手段と前記熱交換器を一体に構成したことを特徴とするクリーンルーム。
2. 請求項１記載のクリーンルームにおいて、前記熱交換器及び前記バイパス手段の底部及び頂部の壁が、前記熱交換手段の面に垂直な軸に対して、傾斜した状態で配置されたことを特徴とするクリーンルーム。

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