JP4344941B2 - 空調用加熱ユニット - Google Patents

Description

本発明は、精密加工・計測分野に用いられる精密温度制御空調に用いられる空調用加熱ユニットに関するものである。

半導体の大規模集積化に伴い、精密加工・計測精度の環境因子である空気温度を高度制御した精密環境チャンバなどの要求が高まっている。空気温度の制御では、温度センサの測定値を用い、フィードバック制御などで空調用加熱器の出力を調整する手法が採られるが、この場合、高精度な空気温度制御を実現するためには、空調用加熱器に、制御信号に対する応答の速さや、微細な出力の調整が可能であること、空気過熱後の温度ムラが小さいといった特性が要求される。

高精度な空気温度制御を実現するため空調用加熱器としては、一般に、コイル状に巻いた伝熱ワイヤを保護管に挿入し、保護管内に絶縁材を充填したシースヒータが用いられる。この加熱器は、通電により伝熱ワイヤを発熱させ、保護管を加熱し、保護管表面と空気との接触熱伝達により空気を加熱、昇温するものである。

この種の加熱器を使用した温度制御システムを図９に示す。ブロア１からの送風空気はダクト２を通じて精密加工・計測領域に供給されている。この供給空気を温度制御するのであるが、空気用ダクト２に加熱器３を挿入配置するとともに、加熱器３の下流に温度センサ４を設置している。温度センサ４は空気温度を測定し、調節計５に測定値信号を送る。調節計５では測定値を基に加熱器３の内部ヒータへの出力電圧が演算され、サイリスタ６に出力信号を送る。サイリスタ６は出力信号に応じて加熱器３への印加電圧を調節し、所定温度に高精度に制御するのである。

この発明に関連する先行文献としては下記のものが挙げられる。
特開平６−２８１１８１号公報

しかしながら、従来用いられているシースヒータ加熱器では、加熱器自体の熱容量が大きく、応答性が悪い。このため制御機器からの出力信号に加熱器が追従できず、制御性能が低くなる問題があった。また、伝熱面積が小さく、所定の熱量を空気に伝達するためには加熱器表面温度を高くする必要がある。このため加熱器と空気の温度差が大きくなり、加熱器出口で空気の温度ムラが発生する問題があった。

本発明は、精密加工時などに要求される空調空気の温度を、温度ムラを発生することなく、高精度にコントロールできる加熱ユニットを提供することを目的とする。

本発明者は、熱容量が小さく、伝熱面積が広い加熱器を発案した。本加熱器では、加熱部材として薄いシート形状をしており、面内でほぼ一様発熱するヒータ（例えばガラスクロスにカーボン素材を含浸し成型した抵抗体を、ラミネート処理したもの）を用い、これを空気流に対して平行に、かつ加熱器内部の空気流路中に均等な割合で存在する様に複数枚配置したものである。

そこで、本発明に用いる空調用加熱器は、精密加工・計測分野向けの精密温度制御空調設備で使用する加熱器であって、ダクト内部に多段平行流路を形成し、各流路壁面にシート状ヒータを設けたものである。あるいは、精密加工・計測分野向けの精密温度制御空調設備で使用する加熱器であって、ダクト内部に多段平衡流路を形成し、各流路隔壁をシート状ヒータにより形成するように構成することができる。

上記加熱器を用いた本発明に係る空調用加熱ユニットは、ダクト内部に多段平衡流路を形成し、各流路隔壁をシート状ヒータにより形成した空調用加熱器と、前記多段平行流路の上流部に配置され空気温度変動の緩和を行う蓄熱体とを有する構成とした。

そして、前記蓄熱体としては、空調用加熱器のフィードバック制御によるオーバーシュートを開始する温度変動周波数と同一もしくは近傍の下位の温度変動周波数で温度変動の減衰効果が得られる蓄熱体を使用した。

上記構成によれば、ダクトを流れる空気は、多段平行流路を通過する際に層状に分割され、分割面の上下両面から加熱されることになる。これによって温度制御の応答性が格段に向上し、高精度なく空気温度制御が可能となり、精密加工・計測用環境チャンバ等に応用することができる。ダクトを通流する空気はダクト中心部で最大速度で、ダクト壁面に接触領域が最小速度となるような速度分布をなし、空気とシート状ヒータの接触時間が各平行流路で異なって昇温度が異なる可能性がある場合には、多段平行流路の前段に整流手段、例えば整流板を設けて速度分布がダクト断面で均一になるように調整することによって温度分布のムラのない加熱が可能となる。また、多段平行流路の前段部に蓄熱体を置くことにより、空気温度変動が抑制され、温度加熱制御時のオーバーシュートを防止することができる。

以下に、本発明に係る加熱ユニットの最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ、詳細に説明する。
本実施形態に用いる空調用加熱器を図１〜２に示す。図示のように、空調用加熱器１０は、矩形断面をもつダクトケーシング１２を有している。矩形ダクトケーシング１２の内部流路は、空気の流れ方向を横断する方向に分割されており、平行に配置された複数の分割隔壁によって多段平行流路１４（１４₁〜１４_n）が形成されている。そして、実施形態の場合には、各流路間の隔壁をシート状ヒータ１６によって直接形成しており、当該シート状ヒータ１６を流れに対して平行に、等間隔のピッチで配置した構造となっている。薄いシート状ヒータ１６であるため、熱容量が小さく、温度制御信号に対する応答性が高い。また伝熱面が広く空気との接触面積が増大している分だけ伝熱面温度を低くでき、かつ伝熱面が空気流路内で均等に分布しているため、空調用加熱器１０出口での温度ムラを小さくすることができる。

したがって、各流路断面では流通する空気に対して伝熱面が均等になり、空気流れに沿った伝熱を効果的に行うことができ、空気流全体の温度ムラを小さくできるのである。

ところで、上述のような空調用加熱器１０を空調ダクト１８に介在させて温度制御している状態を図３に示す。本実施形態では空調用加熱器１０の流路断面内で均等に伝熱面が分布するようにしているが、ダクト１８内では空気は、図３に示すように、その粘性によりダクト中心流速が早く、ダクト壁面接触部の流速が遅い速度分布となる。このような流路内で偏流が発生すると、局所的に流量の多い所では空気温度が低く、流量の少ない所では空気温度が高くなる。

これを防止するための空調用加熱ユニットの適用形態を、図４に示す。この適用形態に係る空調用加熱ユニットは、上述した空調用加熱器１０と、その上流に整流手段として設置された多孔板２０とから構成したものである。これにより空調用加熱器１０の多段平行流路１４で一様な流れが形成でき、流路断面方向での場所による空気温度の違いを小さくすることができる。整流手段としては多孔板２０に限らず、整流作用のある任意の部材を使用することができる。

次に、図５には本発明の実施形態に係る空調用加熱ユニットの断面構成図を示している。この加熱ユニットは、上述した空調用加熱器１０と、その上流における空調ダクト１８内に配置した蓄熱体２２とを備えた構成となっている。この加熱ユニットは空調用加熱器１０の下流側に温度センサ２４が配置されており、温調後の温度状態を計測するようにしている。そして、当該温度センサ２４により測定された温度に対応する温度信号は調節計２６に送られ、ここで測定値を元に空調用加熱器１０の内部ヒータへの出力電圧が演算され、サイリスタ２８に出力信号を送る。サイリスタ２８は出力信号に応じて空調用加熱器１０への印加電圧を調節し、所定温度に高精度にフィードバック制御するのである。

上述した空調用加熱器１０のみを用い、フィードバック制御により空気温度制御した場合、空調用加熱器１０の上流の温度変動に対する空調用加熱器１０の下流における温度変動の感度は、例えば図６のようになる。図示のように、０．１Ｈｚ近辺の温度変動は、空調用加熱器１０によって増幅され、温度変動周波数でｂ１〜ｂ２の範囲でオーバーシュートが発生する。図示の例では、これを防止するため、前述したように、本実施形態では空調用加熱器１０の上流に蓄熱体２２を設け、空調用加熱器１０で増幅される周波数の温度変動を予め抑制することで、温度制御を安定化させている。蓄熱体２２はその形状や材質によって温度変動の抑制効果が異なり、図７に示すように、蓄熱体Ａ_１の温度変動減衰効果が周波数ａ１（＜ｂ１）で現れ、蓄熱体Ａ_２の温度変動減衰効果が周波数ａ２（＞ｂ１）から現れる場合、空調用加熱器１０のオーバーシュート開始周波数ｂ１より下位周波数ａ１から温度変動減衰効果が表れる蓄熱体Ａ_１を選定するようにすればよい。もちろん、オーバーシュート開始周波数ｂ１と同一もしくは近傍の下位周波数での減衰効果が開始する蓄熱体であることを要する。したがって、図８に示した空調用加熱器１０より蓄熱体Ａ_１の組合わせによる温度変動感度曲線がＸとなる特性が望ましい。特性線Ｙはオーバーシュートを防止できないため蓄熱体Ａ_２との組合わせは好ましくないのである。

本発明は、半導体生産設備などが配置されるクリーンルームにおける製造設備や計測設備に適用することが可能である。

本発明に係る空調用加熱器の実施形態の斜視図である。 同断面図である。 同実施形態に係る空調用加熱器を用いた風速分布や温度分布の説明図である。 本発明に係る空調用加熱ユニットの実施形態の断面構成図である。 同空調用加熱ユニットの他の実施形態の断面構成図である。 本実施形態に係る空調用加熱器を用いた場合のオーバーシュートの説明用グラフである。 実施形態に係る加熱ユニットに用いられる蓄熱器の特性図である 空調用加熱器と蓄熱体の加熱ユニットにおける温度変動の感度を示す特性図である。 従来の空調用加熱器を用いた温度制御システム図である。

符号の説明

１０………空調用加熱器、１２………矩形ダクトケーシング、１４（１４₁〜１４_n）………多段平行流路、１６………シート状ヒータ、１８………空調ダクト、２０………多孔板、２２………蓄熱体、２４………温度センサ、２６………調節計、２８………サイリスタ。

Claims (1)

1. ダクト内部に多段平衡流路を形成し、各流路隔壁をシート状ヒータにより形成した空調用加熱器と、前記多段平行流路の上流部に配置され空気温度変動の緩和を行う蓄熱体とを有し、空調用加熱器のフィードバック制御によるオーバーシュートを開始する温度変動周波数と同一もしくは近傍の下位の温度変動周波数で温度変動の減衰効果が得られる蓄熱体を使用したことを特徴とする空調用加熱ユニット。

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