JP4547630B2

JP4547630B2 - 空気温度制御方法及び制御システム

Info

Publication number: JP4547630B2
Application number: JP2006034399A
Authority: JP
Inventors: 真田中; 龍介後藤田; 弘行蒲生; 正孝宮脇; 義人細川
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP2007212095A

Description

本発明は、空気温度制御方法及び制御システムに係り、より詳しくは精密加工・計測分野に用いられる様々な室に供給される空気の空気温度制御方法及び制御システム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（例えば、クリーンルームなど）などの要求が高まっている。これら空気温度制御では、チャンバ内の熱負荷除去や、チャンバ内に取り入れる外気温度変化を吸収するため、空気を冷却したり、加熱したりする必要がある。冷却方法としては、冷水を用いたドライコイルを有する熱交換器に冷水を循環させる方法がよく用いられている。しかしながら、その際の冷水温度や流量の変動が、空気温度変動の大きな要因の一つとなっている。よって空気温度の高度制御においては、冷水制御やドライコイルによる温度制御の高性能化が課題の一つとなっている（例えば、非特許文献１参照。）。

ドライコイルを用いた空気温度制御で一般に採用される方法の一つに、図３に示す空気温度制御システム１００が挙げられる。空調機１０１内には、ドライコイル１０２、ファン１０３、温度計１０７などが設けられている。空調機１０１にはドライコイル１０２内を循環させる冷水を製造する冷水製造装置１０４が、ポンプ（図示しない）及び三方弁１１０を介して接続している。そして、空調機入口１０１Ａから空気１１５が空調機１０１内に送られる。そして、空気温度変化や冷水製造装置１０４の冷水の温度変動によって発生する空調機出口１０１Ｂでの空気１０５の温度変動を制御するために、ドライコイル１０２に流入する冷水流量を三方弁１１０により調節している。調節は、温度計１０７でドライコイル出口１０２Ｂの空気１１５の温度を測定する。その測定値を空気温度信号Ｓ１としてコントローラ１０９に入力する。また、コントローラ１０９には空気温度設定値Ｓ２も入力される。これらＳ１，Ｓ２の差からＰＩＤ演算器１０９Ａにより三方弁１１０の開度値Ｓ３を求める。開度値Ｓ３を三方弁１１０に信号として送信して、三方弁１１０の開度を調整するという手順を繰り返して行われる。

また、他の空調システムとしては、最適化制御器を用いて、冷水製造装置の動力、ファンの動力、冷水をドライコイルに循環させるポンプなどの空調所要動力が最小となるように制御するものが知られている。この空調システムにはローカル制御器が設けられており、ドライコイル温度と冷水温度とが最適目標値となるように制御している（例えば、特許文献１参照。）。
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、５５７頁〜５６１頁特開２００４−０６９１３４号公報

図３の空気温度制御システム１００による空気１１５の温度変動を模式的に図４に示す。空調機出口１０１Ｂの空気温度（（ｃ）参照）は空調機入口１０１Ａの温度変化（（ａ）参照）に関わらず、ある一定の範囲内で制御できている。しかしながら、冷水で発生した温度変動（（ｂ）参照）の影響を受けていることが分かる。このような冷水温度変動に起因する空気温度変化は周期が短く、電気ヒータなどで制御することが困難であり、高精度な温度制御を要求される設備では致命的な問題となる。この問題は、特許文献１に記載の空調システムは、空調所要動力の最小化を目的としているため必ずしも改善されている訳ではない。

本発明の目的は、熱媒体を用いる熱交換器による空気温度の制御性能を向上させる空気温度制御方法及び制御システムを提供することである。

請求項１の発明は、前記目的を達成するために、室内温度を調整するために供給される空気の温度制御を、熱交換器による熱交換によって行う空気温度制御方法において、前記空気温度制御を前記熱交換器で行う主ループと、前記熱交換器の熱媒体温度制御を行う副ループとで構成され、前記熱交換器で熱交換された空気温度を測定してその測定空気温度と空気温度設定値との差に基づいて主ループ制御器が前記熱交換器の熱媒体温度目標値を算出し、前記熱交換される熱媒体温度を測定してその測定熱媒体温度と前記算出された熱媒体温度目標値とに基づいて副ループ制御器が熱媒体温度制御手段の操作量を算出し、前記算出された操作量に基づいて前記熱媒体温度制御手段を制御することにより、前記熱交換器との熱交換によって制御される空気温度をカスケード制御することを特徴とする。

請求項１によれば、前記主ループで熱交換器入口側の空気の温度変動を抑制でき、前記副ループで前記熱媒体の温度変動を抑制できるため空気温度の制御性能が向上する。

請求項２の発明においては、前記熱交換器が、ドライコイルを備えることが好ましい。

請求項３の発明においては、前記熱交換器内に流入させる熱媒体の温度調整は、前記熱媒体を混合タンクに通し、前記熱媒体を加熱機又は冷却機に通し、前記熱媒体の温度を測定し、前記熱媒体温度に基づき前記加熱機又は冷却機の温度制御させることが好ましい。請求項３によれば、前記熱媒体の温度制御を精密に行うことが可能となる。

請求項４の発明においては、前記熱交換がなされた空気の温度を測定し、その結果をローパスフィルタに通すことによりノイズを低減させて、前記主ループの現在値又は制御量とすることが好ましい。請求項４によれば、センサのノイズや、本制御方式では追従できないような急激な温度変化を除去し、制御を安定させることができる。

請求項５の発明は、前記目的を達成するために、室内温度を調整するために供給される空気の温度制御を、熱交換器による熱交換によって行う空気温度制御システムにおいて、前記空気温度制御を前記熱交換器で行う主ループと、前記熱交換器の熱媒体温度制御を行う副ループとで構成され、前記熱交換器で熱交換された空気温度を測定する空気温度計と、前記測定された測定空気温度と空気温度設定値との差に基づいて前記熱交換器の熱媒体温度目標値を算出する主ループ制御器と、前記熱交換される熱媒体温度を測定する熱媒体温度計と、前記熱交換器の熱媒体温度を制御する熱媒体温度制御手段と、前記測定された測定熱媒体温度と前記算出された熱媒体温度目標値とに基づいて前記熱媒体温度制御手段の操作量を算出する副ループ制御器と、を有し、前記算出された操作量に基づいて前記熱媒体温度制御手段を制御することにより、前記熱交換器との熱交換によって制御される空気温度をカスケード制御することを特徴とする。請求項５によれば、前記主ループで熱交換器入り口側の空気の温度変動を抑制でき、前記副ループで前記ループで前記熱媒体の温度変動を抑制できるため空気温度の制御性能が向上する。

本発明によれば、例えば精密加工・計測用環境チャンバなどのための室内（例えばクリーンルーム）に供給される空気の空気温度の制御性能を向上させることができる。

以下添付図面に従って本発明に係る空調空気温度の制御方法及び制御システムの好ましい実施の形態について詳説する。

本発明に係る空気温度制御システム１０を図１に示す。空気温度制御システム１０における空調機１１には、冷水製造装置１４が配管などを介して接続され、更にコントローラ１９が接続されている。コントローラ１９は、主ループＰＩＤ演算器３１と副ループＰＩＤ演算器３２とローパスフィルタ３３とを備えている。また、空調機１１内には、熱交換器の一部であるドライコイル１２と、ファン１３と温度計１７とが備えられている。なお、空調機１１内に備えられる熱交換器は特に限定されるものではないが、ドライコイルを備えるものを用いることが好ましい。空調機入口１１Ａから空調機１１内に入った空気２５は、ドライコイル１２で冷却されて空調機出口１１Ｂから、例えば精密加工・計測用環境チャンバなどのための室内（図示せず）に送り出される。

冷水製造装置１４は、冷水混合タンク１６とヒータ（加熱機）１５と温度計１８及び配管などによりドライコイル１２と接続しており、ドライコイル１２内に熱媒体である冷水を供給する。なお、本発明において、熱媒体は冷水に限定されるものではない。また、ヒータに代えて温度調整用に冷却機が用いられる場合もある。さらに、温度計１７，１８も特に限定されるものではなく、各種のセンサを用いても良い。

ドライコイル１２に流入する冷水の流量は常に一定であるが、冷水温度は冷水混合タンク１６及びヒータ１５により制御される。冷水は冷水製造装置１４で製造された後に、冷水混合タンク１６で混合されて温度が略一定となる。更にヒータ１５により精密な温度制御がなされる。

冷水の温度制御の方法は以下の手順による。温度計１７でドライコイル出口１２Ｂの空気２５の温度を測定する。その測定結果を空気温度信号Ｗ１’としてローパスフィルタ３３に送信する。ローパスフィルタ３３で空気温度信号Ｗ１’のノイズを除去した後に、ノイズ除去空気温度信号Ｗ１として主ループＰＩＤ制御器３１に送信する。なお、本発明において、コントローラ１９にローパスフィルタ３３を配置することを省略することもできる。しかしながら、ドライコイル出口１２Ｂの空気２５の温度のノイズを除去したり、例外的に急激な空気温度変化の影響を取り除いたりするために、コントローラ１９内に備えられていることが好ましい。

コントローラ１９では、ノイズ除去空気温度信号Ｗ１と、室内に供給する空気温度設定値Ｄ１との差が、主ループＰＩＤ制御器３１に入力される。そして、主ループＰＩＤ制御器３１により、冷水温度の目標値が算出され、副ループのＰＩＤ制御器３２に送信される。主ループＰＩＤ制御器３１から出力される値を主ループの現在値又は制御量Ｚ２とする。また、温度計１８でドライコイル１２に供給される冷水の温度が測定される。その測定結果を冷水温度信号Ｗ２とする。主ループ現在値又は制御量Ｚ２と、副ループの現在値である冷水温度信号Ｗ２との差が、副ループＰＩＤ制御器３２に入力される。そして、副ループＰＩＤ制御器３２によりヒータ１５に送信される副ループの操作量Ｚ１が算出される。副ループの操作量Ｚ１はヒータ１５のコントローラ（図示しない）に送信されて、その値に基づきコントローラがヒータ１５の温度調節を行う。そして、ヒータ１５によりドライコイル１２に供給される冷水の温度が所望の温度であり且つ一定値に保持されるように制御される。

本発明に係る空気温度制御システム１０による空気２５の温度制御の結果の模式図を図２に示す。冷水温度は、副ループＰＩＤ制御器３２で精密な温度を副ループ現在値又は制御量Ｚ１としてヒータ１５に送信して温度制御をしているため、図４（ｃ）で見られたような空調機出口１０Ｂにおける空気２５の急激な温度変動は見られない（（ｃ）参照）。更に、主ループＰＩＤ制御器３１による主ループ制御により空調機入口１１Ａの空気温度（（ａ）参照）の変動を抑制するように冷水温度が変化していることが分かる（（ｂ）参照）。すなわち、空調機入口１１Ａの空気温度が上昇すると、冷水温度を低下させるように制御されている。結果として空調機出口１１Ｂでの空気２５の温度が高精度で制御されていることとなる（（ｃ）参照）。

本発明に係る空気温度制御システム１０では、主ループＰＩＤ制御器３１が対象とする空調機入口１１Ａの空気２５の温度変動と、副ループＰＩＤ制御器３２が対象とする冷水製造装置１４から出た冷水温度変動とでは、支配的な温度変動の周期が大きく異なる。そのため、副ループＰＩＤ制御器３２による冷水の温度制御の方が、周期が短い温度変動を対象としている。更に冷水混合タンク１６とヒータ１５と温度計１８とにより構成される熱媒体温度制御手段の速応性は十分高く、冷水温度変動を十分に制御できる。主ループ現在値又は制御量Ｚ１は、主ループＰＩＤ制御器３１によって変化するが、その変化は副ループＰＩＤ制御器３２においては、十分に遅い変化であり、副ループ（信号；Ｗ２〜Ｚ１）の制御性能に悪影響を及ぼさない。そのため、主ループ（信号；Ｗ１’〜Ｚ２）で空調機入口１１Ａの空気２５の温度変動を抑制することが可能となる。また、副ループ（信号；Ｗ２〜Ｚ１）で冷水温度変動を抑制することが可能となる。

本発明に係る空気温度制御システムの概略図である。本発明に係る空気温度制御システムを用いる場合の各温度の変化を示す模式図である。従来の空気温度制御システムの概略図である。従来の空気温度制御システムを用いる場合の各温度の変化を示す模式図である。

符号の説明

１０…空気温度制御システム、１２…ドライコイル、１４…冷水製造装置、１５…ヒータ、１６…冷水混合タンク、１９…コントローラ、３１…主ループＰＩＤ制御器、３２…副ループＰＩＤ制御器、３３…ローパスフィルタ

Claims

室内温度を調整するために供給される空気の温度制御を、熱交換器による熱交換によって行う空気温度制御方法において、
前記空気温度制御を前記熱交換器で行う主ループと、前記熱交換器の熱媒体温度制御を行う副ループとで構成され、
前記熱交換器で熱交換された空気温度を測定してその測定空気温度と空気温度設定値との差に基づいて主ループ制御器が前記熱交換器の熱媒体温度目標値を算出し、
前記熱交換される熱媒体温度を測定してその測定熱媒体温度と前記算出された熱媒体温度目標値とに基づいて副ループ制御器が熱媒体温度制御手段の操作量を算出し、
前記算出された操作量に基づいて前記熱媒体温度制御手段を制御することにより、前記熱交換器との熱交換によって制御される空気温度をカスケード制御することを特徴とする空気温度制御方法。
前記熱交換器が、ドライコイルを備えることを特徴とする請求項１に記載の空気温度制御方法。
前記熱交換器内に流入させる熱媒体の温度調整は、
前記熱媒体を混合タンクに通し、前記熱媒体を加熱機又は冷却機に通し、前記熱媒体の温度を測定し、前記熱媒体温度に基づき前記加熱機又は冷却機の温度制御させることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気温度制御方法。
前記熱交換がなされた空気の温度を測定し、その結果をローパスフィルタに通すことによりノイズを低減させて、前記主ループの現在値又は制御量とすることを特徴とする請求項１ないし３何れか１項に記載の空気温度制御方法。
室内温度を調整するために供給される空気の温度制御を、熱交換器による熱交換によって行う空気温度制御システムにおいて、
前記空気温度制御を前記熱交換器で行う主ループと、前記熱交換器の熱媒体温度制御を行う副ループとで構成され、
前記熱交換器で熱交換された空気温度を測定する空気温度計と、
前記測定された測定空気温度と空気温度設定値との差に基づいて前記熱交換器の熱媒体温度目標値を算出する主ループ制御器と、
前記熱交換される熱媒体温度を測定する熱媒体温度計と、
前記熱交換器の熱媒体温度を制御する熱媒体温度制御手段と、
前記測定された測定熱媒体温度と前記算出された熱媒体温度目標値とに基づいて前記熱媒体温度制御手段の操作量を算出する副ループ制御器と、を有し、
前記算出された操作量に基づいて前記熱媒体温度制御手段を制御することにより、前記熱交換器との熱交換によって制御される空気温度をカスケード制御することを特徴とする空気温度制御システム。