JP4059112B2 - 冷水の温度制御装置及び空調設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷水の温度制御装置及び空調設備に係り、特にクリーンルーム用空調装置の冷却コイルに供給する、冷水の温度を制御するための冷水の温度制御装置及びその空調設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造用クリーンルームは、半導体の大規模集積化に伴い、室内の温度管理が厳しく要求されている。特に、実際に検査解析作業を行なう空間では、検査解析精度を上げるために室温の変動を±１／１０００度以下に抑えることが要求されている。このため、クリーンルーム用の空調設備においては、高精度な温度管理が実施されている。
【０００３】
ところで、空調設備にはエア冷却用の冷却コイルが設けられているが、この冷却コイルに供給される冷水の温度が大きく変動した場合、冷却コイルの直前に設けられた電気ヒータで再熱調整しようとしても、ニクロム線からなる電気ヒータの特性により大きな変動には追従できない。このため、温度変化の大きい冷水が冷却コイルにそのまま供給されるという問題があった。
【０００４】
そこで、従来の空調設備は、冷水製造装置から冷却コイルに供給される冷水を、タンクに一旦貯留し、ここで攪拌し混合することにより、冷水の温度むらを抑えた冷水を冷却コイルに供給している（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
【非特許文献１】
空気調和・衛生工学会発行「空気調和・衛生工学第６５巻第９号」、平成３年８月、ｐ．５５８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記非特許文献１に記載された空調設備は、冷水の温度むらを抑えるために攪拌装置をタンクに設けなければならず、設備のランニングコストが増大するという欠点があった。
【０００７】
ところで、非特許文献１のようにタンクを有している空調設備は、一般に図６に示す構成を有する。同図に示す空調設備は冷水製造装置１、タンク２、冷却コイル３、第１の冷水循環系４、及び第２の冷水循環系５等から構成される。
【０００８】
第１の冷水循環系４は、冷水製造装置１の冷水をポンプ６によってタンク２に供給する往路管４Ａとタンク２で混合された冷水の大部分を冷水製造装置１に戻す復路管４Ｂとから構成される。また、第２の冷水循環系５は、タンク２で混合された温度むらの小さい冷水をポンプ７によって冷却コイル３に供給する往路管５Ａと冷却コイル３で熱交換された冷水をタンク２に戻す復路管５Ｂとから構成される。なお、往路管５Ａには、電気ヒータ８、温度センサ９などが取り付けられている。
【０００９】
第１の冷水循環系４に流れる冷水量は、第２の冷水循環系５に流れる冷水量よりも多めに設定されている。これは、冷水製造装置１からの冷水をタンク２に多量に供給することで冷水の混合を促進し、この促進作用によって温度むらを抑え、そして、温度むらを抑えた冷水を冷却コイル３に供給するようにしているためである。よって、タンク２を有する空調設備は、冷水の循環系が第１、第２の循環系４、５を必要とするので、設備が大がかりになるという問題もあった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造でランニングコストを削減できる冷水の温度制御装置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】
本発明は、前記目的を達成するために、温度にばらつきのある冷水が供給され、該冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて送出する冷水の温度制御装置において、前記冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを有する冷水の温度制御装置を提供する。
【００１２】
また、本発明は、前記目的を達成するために、前記円筒状流路管の供給口に、第１の冷水供給管を介して冷水製造装置が接続され、前記円錐状流路管の送出口に、第２の冷水供給管を介して冷却コイルの入口部が接続され、該冷却コイルの出口部に冷水戻り管を介して前記冷水製造装置が接続されている空調設備を提供する。
【００１３】
本発明の冷水の温度制御装置によれば、円筒状流路管に供給された、温度にばらつきのある冷水は、円筒状流路管に流入して急拡散することにより空間的に温度むらのある状態となるが、継続して供給されてくる冷水の水力によって円筒状流路管内で自然に混合されることにより温度むらが徐々に少なくなっていく。そして、前記冷水は、円筒状流路管を上昇流となって円錐状流路管に導かれ、そして、円錐状流路管を流れる際に、温度むらのあった冷水が縮流していき空間的な温度むらが小さくなって平均化される。そして、円錐状流路管の送出口から外部に送り出される。
【００１４】
このように、本発明の冷水の温度制御装置は、円筒状流路管において冷水を急拡散させ、この後、円錐状流路管において冷水を縮流させる、という冷水の流れのなかで冷水の温度むらを平均化させる構造なので、拡散装置を別途設けることなく、冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて、冷水を送出することができる。
【００１５】
また、前記円筒状流路管に整流部材を設けることによって、円筒状流路管から円錐状流路管に流れる冷水を整流化できるので、円筒状流路管において偏流が無くなり、均一に流れを混合できるため、温度むらの抑制効果が向上する。
【００１６】
また、本発明に係る空調設備によれば、冷水製造装置からの冷水は、第１の冷水供給管を介して、請求項１、又は２に記載の温度制御装置の円筒状流路管の供給口から円筒状流路管に供給される。そして、温度制御装置によって温度むらが平均化された冷水は、円錐状流路管の送出口から第２の冷水供給管を介して冷却コイルの入口に供給される。そして、冷却コイルにおいて熱交換された冷水は、冷却コイルの出口から冷水戻り管を介して前記冷水製造装置に戻される。よって、本発明の空調設備は、冷水の循環系が１つで済むので、設備が簡素化する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る冷水の温度制御装置及び空調設備の好ましい実施の形態について詳説する。
【００１８】
図１は、実施の形態の冷水の温度制御装置１０が適用されたクリーンルーム用空調設備１２の構造を示したブロック図である。同図に示すクリーンルーム１４は、区画壁１６によって外部と隔離され、室内には精密機械の製造ライン、検査解析装置などが設置される。このクリーンルーム１４では、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。
【００１９】
区画壁１６の壁面の図１上で右壁面には、空気供給パネル１８が設けられるとともに、左壁面には空気吸気パネル２０が設けられている。これらパネル１８、２０として、空気を通過させるとともに整流の作用もあるパンチングメタルが用いられている。
【００２０】
吸気パネル２０にはダクト２２が接続されている。ダクト２２には、送風機２４、冷却コイル２６、及び加熱器２８からなる空調装置３０が連結されている。また、この空調装置３０の空気出口にはダクト３２が接続され、これに空調用ヒータ３４が接続されるとともにダクト３６を介して供給パネル１８が接続されている。このダクト配管により空調設備１２は、クリーンルーム１４内の空気を循環させる方式となっている。
【００２１】
送風機２４が作動されると、吸気パネル２０からクリーンルーム１４内の空気がダクト２２を介して空調装置３０に吸引される。吸引された前記空気は、冷却コイル２６に接触して所定の温度まで冷却される。
【００２２】
加熱器２８は、内部にハロゲンランプを備えたランプヒータであり、この加熱器２８の直後でダクト３２内には温度センサ３８が設けられ、加熱器２８を出た直後のダクト３２内の温度を検出している。温度センサ３８は、デジタル調節計４０に接続され、デジタル調節計４０は、温度センサ３８の温度情報に基づいてサイリスタ４２を制御し、サイリスタ４２によって、電源部（不図示）から加熱器２８に所定の電圧の電力を供給する。なお、デジタル調節計４０における分解能の性能としては±１／１００度である。このような構成の加熱器２８によって、冷却コイル２６にて冷却された空気を、要求される温度の近傍まで加熱する。たとえば、要求温度が摂氏２３．２度である場合には、加熱器２８によって摂氏２２．９度になるように空気を加熱制御する。
【００２３】
クリーンルーム１４内には、クリーンルーム１４内の温度を検出する温度センサ４４が設けられている。温度センサ４４は、デジタル調節計４６に接続され、デジタル調節計４６は、温度センサ４４の温度情報に基づいてサイリスタ４８を制御し、サイリスタ４８によって電源部（不図示）から空調用ヒータ３４のランプヒータ（不図示）に所定の電圧の電力を供給する。ここで、デジタル調節計４６における分解能は、デジタル調節計４０よりも高いものが用いられ、クリーンルーム１４における温度の±１／１０００度まで可能なものが用いられる。
【００２４】
かかる構造の空調設備１２によって、供給パネル１８から吹き出された空調空気は吸気パネル２０から吸引されることにより、クリーンルーム１４内でサイドフローとなって流れる。また、クリーンルーム１４では厳しく温度が管理され、クリーンルーム１４を摂氏２３．２度で許容誤差１／１０００度以内の温度で維持している。特に、クリーンルーム１４におけるサイドフローによって、クリーンルーム１４内に空気の滞留が生じず、クリーンルーム１４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。
【００２５】
また、空調装置３０と空調用ヒータ３４とを設け、これらを制御するための温度センサをダクト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１２を提供できる。特に、空調装置３０の加熱器２８によって、要求される温度まで近づけておき、空調用ヒータ３４によって、要求温度に維持させるので、加熱器２８や空調用ヒータ３４の制御熱量の変動が少なくなり、クリーンルーム１４の室温の制御が行い易く、また室温の安定化も図れる。
【００２６】
一方、実施の形態の冷水の温度制御装置１０は、冷水製造装置５０から供給される冷水を、冷水の自然の流れのなかで攪拌混合する冷水混合タンクである。以下、冷水の温度制御装置１０を冷水混合タンク１０と称する。
【００２７】
この冷水混合タンク１０は図１、図２に示すように、冷水製造装置５０からの冷水が供給される供給口５２が下部に形成された円筒状流路管５４と、この円筒状流路管５４の上端部に一体的に連結され上部に冷水の送出口５６が形成された先細状の円錐状流路管５８とによって構成されている。
【００２８】
また、図１の如く、円筒状流路管５４の供給口５２には、第１の冷水供給管６０を介して冷水製造装置５０が接続され、円錐状流路管５８の送出口５６には、第２の冷水供給管６２を介して冷却コイル２６の入口部が接続されている。また、冷却コイル２６の出口部は、冷水戻り管６４を介して冷水製造装置５０に接続されている。すなわち、実施の形態の空調設備１２によれば、冷水製造装置５０から冷水混合タンク１０を介して冷却コイル２６に至る冷水の循環系は１つであり、設備が簡素化されている。
【００２９】
また、第２の冷水供給管６２には、加熱器６６及び温度センサ６８が設けられている。更に、第１の冷水供給管６０又は第２の冷水供給管６２にはポンプ（不図示）が設けられ、このポンプによって冷水が前記循環系で循環される。
【００３０】
加熱器６６は、コイル状の伝熱ワイヤを有する電気ヒータであり、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、ポンプによって搬送された冷水を伝熱ワイヤに接触させることで、所望の温度まで加熱する。また、温度センサ６８は、加熱器６６を通過した直後の冷水の温度を検出している。この温度センサ６８は、デジタル調節計７０に接続されており、デジタル調節計７０は、温度センサ６８の温度情報に基づいて加熱器６６を制御する。
【００３１】
次に、前記の如く構成された冷水混合タンク１０の作用について説明する。
【００３２】
冷水製造装置５０から円筒状流路管５４に供給された、温度にばらつきのある冷水は、図２の矢印の如く円筒状流路管５４に流入した直後に、円筒状流路管５４の下層部５４Ａにおいて急拡散する。これにより、冷水は、空間的に温度むらのある状態となるが、継続して供給されてくる冷水の水力によって円筒状流路管５４内で自然に混合されることにより温度むらが徐々に少なくなっていく。そして、冷水は、円筒状流路管５４の上層部５４Ｂにおいて上昇流となって円錐状流路管５８に導かれる。そして、円錐状流路管５８を流れる際に、温度むらのあった冷水が、矢印の如く縮流していき空間的な温度むらが小さくなって平均化される。そして、円錐状流路管５８の送出口５６から、図１に示した第２の冷水供給管６２に送り出される。
【００３３】
このように、冷水混合タンク１０は、円筒状流路管５４において冷水を急拡散させ、この後、円錐状流路管５８において冷水を縮流させる、という冷水の流れのなかで冷水の温度むらを平均化する構造なので、拡散装置を別途設けることなく、冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて、冷水を冷却コイル２６に送り出すことができる。
【００３４】
また、図３に示すように、円筒状流路管５４の中層部に、多孔質の整流板７２を設けることによって、円筒状流路管５４から円錐状流路管５８に流れる冷水を強制的に整流化できるので、円筒状流路管５４において偏流が無くなり、冷水を均一に縮流・混合できる。これにより、温度制御性が向上する。
【００３５】
実施の形態では、クリーンルーム用空調設備１２の冷却コイル２６に冷水を供給するための冷水の温度制御装置について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の冷水の温度制御装置は、加湿器、ウォータジャケットの温度制御装置にも適用できる。
【００３６】
【実施例】
図４は、冷水製造装置５０から供給された冷水の温度変動に対する、冷水混合タンク１０から送出された冷水の温度変動状態を実験により取得して作成したグラフである。同図において、グラフＡは、冷水混合タンク１０から供給された冷水の温度変動を示したグラフ、グラフＢは、冷水製造装置５０から送出された冷水の温度変動を示したグラフである。
【００３７】
また、図５のグラフＣは、冷水製造装置５０から供給された冷水の温度を加熱器６６の電気ヒータのみで制御したときの温度変動を示したグラフ、グラフＤは、冷水製造装置５０から供給された冷水の温度を冷水混合タンク１０と加熱器６６の電気ヒータとで制御したときの温度変動を示したグラフである。なお、図４、図５のグラフの縦軸は温度変動を示し、横軸は経過時間を示している。
【００３８】
図４のグラフＢで示すように、冷水製造装置５０から供給される生の冷水は、±０．０４℃の範囲で大きく変動し、その変動周波数も高い。このような冷水を冷水混合タンク１０に通すことなく冷却コイル２６に直接供給すると、加熱器６６の電気ヒータの特性により大きな変動には追従できないため、図５のグラフＣに示すように、温度変化の大きい冷水が冷却コイルにそのまま供給される。このことは、クリーンルーム１４の室温制御に悪影響を与える。
【００３９】
これに対して、冷水製造装置５０から供給される冷水を冷水混合タンク１０に通すと、図４のグラフＡの如く、高い周波数域の成分が均されるとともに、その温度ばらつきが±０．０２℃の範囲に抑えられ、全体として温度むらが平均化された冷水となる。そして、冷水混合タンク１０から出た冷水、すなわち温度むらが平均化された冷水を加熱器６６によって更に制御することにより、図５のグラフＤの如く、その温度ばらつきが±０．０１℃の範囲に抑えられる。これは、低い周波数域の温度変化であれば温度制御可能な電気ヒータの特性による。
【００４０】
以上により、実施の形態の冷水混合タンク１０と加熱器６６とを併用することにより、高精度な温度制御が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る冷水の温度制御装置によれば、円筒状流路管において冷水を急拡散させ、この後、円錐状流路管において冷水を縮流させる、という冷水の流れのなかで冷水の温度むらを平均化する構造なので、拡散装置を別途設けることなく、冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて、冷水を送出することができる。
【００４２】
また、円筒状流路管に整流部材を設けることによって、円筒状流路管から円錐状流路管に流れる冷水を整流化できるので、円筒状流路管において温度むらが小さくなった冷水を混合することなく円錐状流路管に導くことがで、温度制御性が向上する。
【００４３】
また、本発明に係る空調設備によれば、冷水の循環系が１つで済むので、設備を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態の冷水の温度制御装置が適用されたクリーンルーム用空調設備の構造を示すブロック図
【図２】 実施の形態の冷水混合タンクの構造を示した縦断面図
【図３】 整流板を取り付けた冷水混合タンクの縦断面図
【図４】 冷水混合タンクを設けた場合の冷水温度変動状態を示したグラフ
【図５】 ヒータと冷水混合タンクを設けた場合の冷水温度変動状態を示したグラフ
【図６】 従来の空調設備の構造を示したブロック図
【符号の説明】
１０…冷水の温度制御装置（冷水混合タンク）、１２…クリーンルーム用空調設備、１４…クリーンルーム、２６…冷却コイル、３０…空調装置、３４…空調用ヒータ、５０…冷水製造装置、５２…供給口、５４…円筒状流路管、５６…送出口、５８…円錐状流路管、６０…第１の冷水供給管、６２…第２の冷水供給管、６４…冷水戻り管、６６…加熱器、６８…温度センサ、７２…整流板

Claims (3)

1. 温度にばらつきのある冷水が供給され、該冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて送出する冷水の温度制御装置において、
   前記冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを有することを特徴とする冷水の温度制御装置。
2. 前記円筒状流路管には、前記供給口から供給された前記冷水を整流させる整流部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷水の温度制御装置。
3. 請求項１、又は２に記載の円筒状流路管の供給口に、第１の冷水供給管を介して冷水製造装置が接続され、前記円錐状流路管の送出口に、第２の冷水供給管を介して冷却コイルの入口部が接続され、該冷却コイルの出口部に冷水戻り管を介して前記冷水製造装置が接続されていることを特徴とする空調設備。

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