JP3946861B2 - 恒温・恒湿空気供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除湿器、加熱器および加湿器に順次空気を通過させて該空気の温、湿度を予め設定された値に調整する恒温・恒湿空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の恒温・恒湿空気供給装置は、例えば、半導体の表面にレジストを塗布するスピンコーティング装置に併用される。すなわち、スピンコーティング装置は、半導体を恒温・恒湿の雰囲気中で回転させるので、その雰囲気を形成するために、この恒温・恒湿空気供給装置から恒温・恒湿の空気を導入する。
【０００３】
上記恒温、恒湿空気供給装置は、まず、入口から取り込んだ空気（以下、入口空気という）を上記冷却式除湿器によって冷却除湿するが、このときの除湿器の温度は、入口空気の温、湿度と予め設定された出口空気（供給空気）の目標温、湿度とによって設定することができる。
【０００４】
すなわち、例えば、上記目標温、湿度を２３℃、４５％とすると、図８の空気線図から明らかなように、入口空気の温、湿度が２３℃、４５％以下であれば該入口空気に対して除湿を行う必要がない。したがって、この場合、除湿器の温度は２３℃よりも若干低い適宜な値（例えば１７℃）に設定すれば良い。
【０００５】
一方、入口空気の温、湿度が２３℃、４５％よりも高い場合には、除湿が必要であり、したがって、除湿器の温度を図８に示す飽和水蒸気温度１１℃以下（例えば、１０℃）に設定すれば良いことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、除湿、非除湿の切り替わり時点で除湿器の温度を大きく変化させると（１０℃から１７℃）、除湿時に除湿器の冷却フィンに付着した水滴が該フィンの温度上昇に伴って気化する。すなわち、除湿器が一時的に上記水滴の蒸発による加湿動作を行うことになる。
【０００７】
そして、この一時的な加湿動作は、供給空気の温、湿度の誤差を許容範囲（例えば、温度誤差±０．１℃、湿度誤差±０．５％）から逸脱させるという不都合を生じさせる。
【０００８】
一方、上記入口エアの湿度は一定ではなく、例えば、その湿度が２３℃・３０％から２３℃・５０％まで１％／５分程度の割合で変動することもあり得る。
【０００９】
この場合、入口エアの湿度変化に応じて除湿器の温度を変化（温度の低下）させることになるが、上記湿度変化に対して除湿器の温度変化が適正に対応できないため、供給空気の温、湿度の誤差が上記許容範囲を逸脱することになる。
【００１０】
そこで、従来においては、入口空気の温、湿度に関係なく除湿器が常に除湿動作するように、該除湿器の温度を必要以上に低めに設定している。
【００１１】
このようにすれば、入口空気の温、湿度によらず除湿器の温度が一定に保たれるので、上記供給空気の温、湿度を安定に維持できるが、反面、除湿が不要な場合にも除湿が実行され、また、除湿が必要な場合でも過剰な除湿が実行されることになる。つまり、除湿器において無駄なエネルギーが消費されて、運転コストがアップすることになる。
【００１２】
本発明の課題は、このような状況に鑑み、無駄な除湿エネルギーを消費することなく供給空気の温、湿度を安定に維持することができる恒温・恒湿空気供給装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、除湿器、加熱器および加湿器に順次空気を通過させて該空気の温、湿度を予め設定された値に調整する恒温・恒湿空気供給装置において、前記加湿器を制御する制御系の供給電力制御量が所定時間連続して所定量以下の状態にあるときに前記除湿器における除湿量が不足していると判定し、前記空気の湿度が前記予め設定された値に調整されている状態下で該供給電力制御量が所定量以下の状態にあるときに前記除湿器における除湿量が過剰であると判定する判定手段と、前記除湿量の不足が判定された場合に、前記除湿器に設定された目標温度を下げて該除湿量を増大側に変化させ、前記除湿量の過剰が判定された場合に、前記除湿器に設定された目標温度を上げて該除湿量を減少側に変化させる除湿量制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る恒温・恒湿空気供給装置は、図１にその実施形態を示すように、冷却式除湿器１０、加熱器２０および加湿器３０と、これらをそれぞれ制御する除湿制御系４０，加熱制御系５０および加湿制御系６０とを備えている。
【００１６】
上記除湿器１０、加熱器２０および加湿器３０は、図３に示す通気ダクト７０に配設されている。この通気ダクト７０は、左方に向って下降傾斜しかつ右端が空気取入口７１ａとして開口した傾斜ダクト部７１と、該傾斜ダクト部７１の左方に位置した中間ダクト部７２と、この中間ダクト部７２の左方に位置した水平ダクト部７３とで構成されている。
【００１７】
まず、上記冷却式除湿器１０について説明する。図４に示すように、この冷却式除湿器１０は、上記傾斜ダクト部７１の一側部に配設した３台の冷却ユニット１１と、該傾斜ダクト部７１の他側部に上記各冷却ユニット１１に対向して配設した３台の冷却ユニット１１とを備えている。
【００１８】
図４に示すように、各冷却ユニット１１は、ペルチェ効果を利用した平板状の電子冷熱素子（サーモモジュールと称されている）１２と、この冷熱素子１２の一方の面に付設した水冷板１３と、上記冷熱素子１２の他方の面に付設した熱交換体１４とを有し、冷熱素子１２および水冷板１３が上記傾斜ダクト部７１の外側面に露出し、かつ、上記熱交換体１４が該傾斜ダクト部７１の内方に位置する態様でダクト７１の側板に固定されている。
【００１９】
上記水冷板１３は、図示していないが、蛇行した通水管を内部に有し、この通水管に冷却水を流すことによって上記冷熱素子１２の一方の面を冷却する。また上記熱交換体１４は、傾斜ダクト部７１の長手方向に沿う冷却フィンを多段配列した構成を有する。
【００２０】
上記冷却ユニット１１において、上記冷熱素子１２に通電すると、この冷熱素子１２の一方の面の温度が上昇するとともに、他方の面の温度が低下する。そして、上記一方の面を上記水冷板１３で冷却することによって他方の面の温度がより低下される。
【００２１】
上記熱交換体１４は、冷熱素子１２の他方の面に配設されているので、該冷熱素子１２の通電に伴って冷却される。したがって、熱交換体１４の冷却フィンに空気を流通させれば該空気が冷却除湿される。
【００２２】
なお、上記傾斜ダクト部７１の出口部位には、温度センサＳ１が設けられ、また前記中間ダクト部７２の底面には、ドレンパイプ９０が設けられている。
【００２３】
次ぎに、前記加熱器２０について説明する。図３に示すように、この加熱器２０は、上記水平ダクト部７３の入口下方区域に配設した４本の棒状ヒータ２１によって構成されている。各ヒータ２１は、ヒータシースの周面にスパイラル状の放熱フィンを形成した構造を有し、それぞれ図３の紙面に垂直な方向に沿って配設されている。
【００２４】
上記ヒータ２１の上方には、水平ダクト部７３内を仕切る態様でガイド板１００を設けてある。このガイド板１００は、上方が前記傾斜ダクト部３側に向って湾曲し、かつ、その下端縁が上から２番目のヒータ２１の背部側方まで延びている。
【００２５】
前記加湿器３０は、水平ダクト部７３の底部に設けた水槽３１と、この水槽３１内に配置したヒータ３２（図４参照）とを備え、水槽３１内に貯溜した水をヒータ３２によって加熱気化させることによって加湿する。
【００２６】
図４に示すように、上記水平ダクト部４の背面には、送風機１１０，１１０を介して排気ダクト１２０，１２０が連結されている。
【００２７】
各排気ダクト１２０は、上方に向って延びている。そして、それらの上端を相互に連結し、その連結部位に温度センサＳ２および湿度センサＳ３を付設してある（図１参照）。
【００２８】
以下、上記構成の恒温・恒湿空気供給装置の作用について説明する。
【００２９】
図３において、前記送風機１１０が運転されると、前記傾斜ダクト部７１の空気取入口７１ａからフィルタ７１ｂを介して空気が取込まれ、この空気は該傾斜ダクト部７１内に位置した熱交換体１４の冷却フィン間を通過する。
【００３０】
図１に示す除湿制御系４０の目標温度設定部４１には、所定の除湿用初期目標温度に対応する信号が入力される。そして、該目標温度設定部４１は、当初、この信号を除湿用目標温度Ｔ１を示す信号としてそのまま出力する。なお、上記初期目標温度は、例えば、除湿器１０がその最大除湿機能の１／２の除湿機能を呈するように設定される。
【００３１】
除湿制御系４０の減算部４２からは、上記目標温度Ｔ１と、前記センサＳ１で検出される除湿器１０の温度との偏差を示す信号が出力され、この偏差信号はＰＩＤ処理部４３でＰＩＤ処理された後、スイッチング電源４４に入力される。
【００３２】
この結果、スイッチング電源４４は、上記偏差がなくなるように図４に示した各冷熱素子１２への供給電力を制御し、これによって、除湿器１０に導入された空気は、上記目標温度Ｔ１まで低下されて該除湿器１０から放出される。
【００３３】
周知のように、空気が含み得る水蒸気は、該空気の温度によって規定されるので、空気の温度を上記目標温度Ｔ１まで低下させることは、この空気の湿度を該目標温度Ｔ１で規定される値に設定することを意味する。
【００３４】
一方、加熱制御系５０の減算部５２からは、出口空気（供給空気）の目標温度Ｔ２と前記センサＳ２で検出される出口空気の実際の温度との偏差を示す信号が出力され、この偏差信号はＰＩＤ処理部５３でＰＩＤ処理された後、ヒータ制御部５４に入力される。
【００３５】
この結果、ヒータ制御部５４は、上記偏差がなくなるように加熱器２０の各ヒータ２１への供給電力を制御し、これによって、図３に示した排気ダクト１２０の出口における空気の温度が上記目標温度Ｔ２に整定される。
【００３６】
つぎに、加湿制御系６０の減算部６２からは、出口空気（供給空気）の目標湿度Ｈと前記センサＳ３で検出される出口空気の実際の湿度との偏差を示す信号が出力され、この偏差信号は、ＰＩＤ処理部６３でＰＩＤ処理された後、ヒータ制御部６４に入力される。
【００３７】
この結果、ヒータ制御部６４は、上記偏差がなくなるように加湿器３０のヒータ３２への供給電力を制御し、これによって、図３に示した排気ダクト１２０の出口における空気の湿度が上記目標湿度Ｈに整定される。
【００３８】
ところで、上記加湿制御系６０のＰＩＤ処理部６３より出力される信号は、加湿器３０を制御するための操作量を表わしている。そして、この操作量が一定時間連続してある大きさ以下であることは、除湿器１０から送出された空気の湿度が高くて加湿を余りする必要がない状態にあること、換言すれば、除湿器１０の除湿量が不足して該除湿器１０から送出される空気の湿度が高過ぎる状態にあることを示唆している。
【００３９】
一方、上記操作量がある大きさ以上であることは、除湿器１０の除湿量が過剰な状態、つまり、該除湿器１０から送出される空気の湿度が低過ぎる状態にあることを示唆している。
【００４０】
そこで、上記除湿制御系４０の目標温度設定部４１は、上記操作量、前記目標湿度Ｈおよび前記センサＳ３の出力を取り込んで、図２に示すような手順を実行する。
【００４１】
すなわち、上記操作量が時間ｔ１（例えば、３０秒）連続してＡ％（例えば、２０％）以下であるか否か、換言すれば、除湿器１０の除湿量が不足しているか否かを判断し（ステップ２００）、この除湿量の不足を判断した場合には、現在の除湿用目標温度Ｔ１をＴ１−ΔＴ１に更新する処理が実行される（ステップ２０１）。
【００４２】
これにより、除湿器１０を通過する空気の温度がΔＴ１（例えば、０．１℃）低下され、以後、ステップ２００で除湿量の不足が判断される度にこの温度低下処理が実行される。
【００４３】
なお、上記加湿器３０のヒータ３２が例えば１ＫＷの仕様のものであるとすると、上記操作量が２０％の場合、ヒータ制御部６４がヒータ３２に０．２ＫＷの電力を供給する。
【００４４】
上記温度低下処理に伴って、除湿器１０から送出される空気の湿度が低下し、これは、上記操作量を増大させる。そして、この操作量の増大によってステップ２００の判断結果がＮＯになると、出口空気の湿度が安定しているか否かが判断される（ステップ２０２）。
【００４５】
ステップ２０２では、前記目標湿度Ｈと、前記湿度センサＳ３で検出される上記出口空気の実際の湿度との差が±Ｂ％（例えば、±０．２５％）以内である場合に、出口空気の湿度が安定していると判断される。
【００４６】
ステップ２０２で湿度の安定が判断された場合には、前記操作量がＣ％（例えば、３０％）以上であるか否か、換言すれば、除湿器１０の除湿量が過剰であるか否かを判断する（ステップ２０３）。
【００４７】
ステップ２０３で、除湿量の過剰が判断されると、現在の除湿用目標温度Ｔ１をＴ１＋ΔＴ２に更新する処理が実行される（ステップ２０４）。これにより、上記除湿器１０を通過する空気の温度がΔＴ２（例えば、０．１℃）上昇され、その結果、この空気の湿度が上昇する。
【００４８】
なお、ステップ２０２およびステップ２０３の判断結果がＮＯの場合には、それぞれ手順がステップ２００に戻される。
【００４９】
このように、上記手順によれば、上記除湿器１０の除湿不足運転状態と除湿過剰運転状態が前記加湿制御系６０の操作量に基づいて判断され、除湿不足運転状態が判断された場合に、除湿器１０の温度が低下（除湿量の上昇）されるとともに、除湿過剰運転状態が判断された場合に、該除湿器１０の温度が上昇（除湿量の低下）される。
【００５０】
したがって、除湿器１０は、出口空気（供給空気）の温、湿度を安定に維持させながら、常に過不足の無い除湿を実行することになり、これによって、該除湿器１０における無駄なエネルギーの消費がなくなる。
【００５１】
なお、上記時間ｔ１、操作量Ａ％、温度変化値ΔＴ１，ΔＴ２、湿度誤差Ｂ％および操作量Ｃ％は、装置の仕様に基づいて適宜設定される。
【００５２】
図５は、除湿器１０の温度を、入口空気の温、湿度と予め設定された出口空気（供給空気）の目標温、湿度（例えば、２３℃，４５％）とによって設定するという従来の手法に従って制御した場合の動作特性を例示している。
【００５３】
この場合、入口空気の湿度の変動（例えば、３０％から４０％への変動、２．５％／１０分の傾斜）に対する除湿器１０の温度降下が遅くなって除湿不足になり、その結果、出口空気の湿度が許容誤差範囲αから逸脱することになる。
【００５４】
これに対して、上記実施例の装置によれば、図６に示すように、除湿器１０の温度の降下が速やかに開始されるので、出口湿度が許容誤差範囲αから逸脱することがない。なお、除湿器１０の温度降下が速やかに開始されるのは、上記実施例の装置がフィードフォワード制御機能を有するからである。
【００５５】
図７は、入口湿度が減少方向に変動した場合（例えば、５０％から３０％への変動、２．４％／１０分の傾斜）における上記実施例の装置の動作特性を例示したものである。
【００５６】
この図７から明らかなように、この実施例の装置によれば、入口湿度が減少方向に変動した場合においても、出口湿度の変動が効果的に抑制される。
【００５７】
一方、上記除湿器１０の温度を前記従来の手法に従って制御した場合、前記したように、入口空気の湿度が出口空気の目標湿度よりも高い除湿必要湿度から該目標湿度よりも低い除湿不要湿度に変化したときに、除湿器１０の温度が低温度（例えば、１０℃）から高温度（例えば、１７℃）に急激に変化されることになる。
【００５８】
そして、この場合には、前述したように、除湿器１０の冷却フィンに付着した水滴が該冷却フィンの温度上昇に伴って気化するので、該除湿器が一時的に上記水滴の蒸発による加湿動作を行うことになり、その結果、加湿コントロールが適正に行われなくなって出口空気の変動を生じる。
【００５９】
ところが、上記実施例の装置によれば、加湿制御系６０の操作量に基づいて除湿器１０の除湿量が制御されるので、上記のように除湿器１０の温度が大きく変化される虞れはなく、その結果、上記出口空気の変動も生じない。
【００６０】
上記従来の手法を採用しながら、上記出口空気の変動を防止するには、前記したように、入口空気の温、湿度に関係なく除湿器が常に除湿動作するように、該除湿器の温度を必要以上に低めに設定すれば良いが、これは、除湿器において無駄なエネルギーを消費させることになる。
【００６１】
結局、上記実施例の装置によれば、除湿器において無駄なエネルギーを消費させることなく、出口空気の温、湿度を目標温、湿度に維持させることができ、これによって、運転コストを大幅に低減することができる。
【００６２】
なお、上記実施例においては、除湿器１０の出口における空気の除湿量を温度センサ１の出力によってモニターしているが、上記除湿量を湿度センサでモニターすることも不可能ではない。この場合、減算器４２には上記目標温度に代えて目標湿度が入力され、この目標湿度が前記操作量に基づいて変化されることになる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、除湿器、加熱器および加湿器に順次空気を通過させて該空気の温、湿度を予め設定された値に調整する恒温・恒湿空気供給装置であって、前記加湿器を制御する制御系の操作量に基づいて、該除湿器における除湿量の過不足を判定する判定手段と、前記除湿量の不足が判定された場合に、該除湿量を増大側に変化させ、前記除湿量の過剰が判定された場合に、該除湿量を減少側に変化させる除湿量制御手段とを備えた構成をもつ。
【００６４】
したがって、供給空気の温、湿度を安定に維持しながら無駄な除湿エネルギーの消費を防止して、運転コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る恒温・恒湿空気供給装置の構成を示すブロック図。
【図２】目標温度設定部で実行される手順の一例を示すフローチャート。
【図３】本発明に係る恒温・恒湿空気供給装置の全体構成を示す側面図。
【図４】冷却ユニットの構成と取付け態様を示す平面図。
【図５】従来の手法に基づく装置の動作特性図。
【図６】本発明に係る装置の動作特性図。
【図７】本発明に係る装置の別の動作特性図。
【図８】空気の温度と湿度の関係を示す線図。
【符号の説明】
１０ 除湿器
１１ 冷却ユニット
１２ 冷熱素子
１３ 水冷板
１４ 熱交換体
２０ 加熱器
２１ ヒータ
３０ 加湿器
３１ 水槽
３２ ヒータ
４０ 除湿制御系
４１ 目標温度設定部
５０ 加熱制御系
６０ 加湿制御系
７０ 通気ダクト
１１０ 送風機
１２０ 排気ダクト
Ｓ１ 温度センサ
Ｓ２ 温度センサ
Ｓ３ 湿度センサ

Claims (1)

1. 除湿器、加熱器および加湿器に順次空気を通過させて該空気の温、湿度を予め設定された値に調整する恒温・恒湿空気供給装置において、
   前記加湿器を制御する制御系の供給電力制御量が所定時間連続して所定量以下の状態にあるときに前記除湿器における除湿量が不足していると判定し、前記空気の湿度が前記予め設定された値に調整されている状態下で該供給電力制御量が所定量以下の状態にあるときに前記除湿器における除湿量が過剰であると判定する判定手段と、
   前記除湿量の不足が判定された場合に、前記除湿器に設定された目標温度を下げて該除湿量を増大側に変化させ、前記除湿量の過剰が判定された場合に、前記除湿器に設定された目標温度を上げて該除湿量を減少側に変化させる除湿量制御手段と、
   を備えることを特徴とする恒温・恒湿空気供給装置。

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