JP4954665B2

JP4954665B2 - 二流体水噴霧ノズルの比例制御方法とその装置。

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Publication number: JP4954665B2
Application number: JP2006285089A
Authority: JP
Inventors: 彰加藤; 聡植村
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: JP2007139403A

Description

本発明は、二流体水噴霧ノズルを用いてクリーンルームを加湿する方法において、水側比例弁開度をもとにフィードフォワード方式で二流体同時制御による水噴霧ノズルの比例制御方法とその装置に関する。

クリーンルームでは、一定の温湿度に精密に（例えば乾球温度２１〜２４℃、相対湿度４０〜６０％の範囲内のある一点を設定値とし、許容範囲を±１℃、±５％など）に保持するため、冬季には導入外気に水分を加湿することが行われている。
一般的にクリーンルームでは、室内に存在する生産装置などの発熱負荷はほとんど顕熱負荷であり、この室内負荷による室内空気の絶対湿度はあまり変化しない。室には生産装置の工程上多量の排気があり、またクリーンルーム環境の維持のため室を大気圧より正圧に保持するための余剰空気を導入する必要もあり、多量の導入外気が必要である。外気は昼夜、天候、季節によりその絶対湿度は大きく変化する。よって、外気専用の空調機（外調機）にボイラ発生蒸気を機内に噴出する蒸気加湿器を配置し、冬季や中間期において導入外気の湿度不足を補なう加湿方法が一般的であった。

ボイラ発生蒸気を使用するのは、広い加湿量範囲をカバーしながら制御弁による調整のみで高精度に制御できるためだが、クリーンルーム内に生産装置発熱があり一年中冷房しているにもかかわらず、その熱を利用せず化石燃料などを用いてボイラ蒸気を発生するエネルギー消費のミスマッチがある。またランニング費用も多大にかかる。この加湿のエネルギー削減に対して、導入した外気を外調機中で蒸気加湿するものの、その加湿量を大幅に絞り、足りない分は循環空気に外気を混合する際に、循環空気の経路上の熱交換器側に水を噴霧して混合する装置が知られている（例えば特許文献１）。また、ボイラによる蒸気発生を中止して加湿エネルギーを削減するため、外調機には加湿機能を備えず、床下空間における乾式熱交換器の上流側に水加湿装置を設けるとともに下流側に湿度センサを設け、外気を加熱することで導入時の外気湿度以下の湿度で外気を循環空気中に導入し、湿度センサの計測値によって加湿量を制御するようにした空調用加湿方法、装置が知られている（例えば特許文献２）。

これら従来のクリーンルーム循環経路に水噴霧する加湿方法は、確かに大量の加湿が要求されるクリーンルーム加湿に向いているが、噴霧する液滴の粒径を小さくし、噴霧液滴の質量あたりの表面積を大きくして蒸発気化を促進することが重要である。上記の特許文献１や２の従来のクリーンルーム循環経路に水噴霧加湿する方法及び装置は、水のみをノズルで噴霧する一流体ノズルで行われるが、この方式ではどうしても噴霧水滴の粒径が大きくなり、噴霧水滴の質量あたりの表面積が小さく、空気の熱で潜熱蒸発が短時間にできず循環空気にうまく水蒸気になって乗れないことで、水滴がクリーンルームの壁床や生産装置表面などに付着してしまう問題が発生し、生産装置に悪影響が発生したり、室内空気が所定の湿度に達せなかったりする。
噴霧水滴の粒径を小さくするには空気と水を供給する二流体ノズルを用いると有利であるが、二流体ノズル水噴霧加湿は、印刷工場の加湿では実績が多いものの、その噴霧はオンオフ二位置制御であり、室内空気を一定温湿度に精密に保持するのには不向きである。ちなみに空調以外の他分野の水噴霧では、二流体ノズルにおける噴霧量を比例制御する場合があるが、制御の単純化のため、二流体のうち空気量のみ、あるいは水量のみを制御している。例えば、乾燥外気の調湿器への導入量、調湿器出口部における湿潤気体の圧力、気体の温度のうち少なくとも１つの変動値に基いて、調湿器内へ噴霧すべき水量を算出して水噴霧量を調節するようにしたものも知られているが、これは調湿器という筐体が必要であり、二流体の混合形態が大きく異なる（特許文献３）。

特開２０００−３２９３７４号公報（第４頁３〜２０行、図１）。特開２００２−１５６１４８号公報（第３頁右欄１５〜４６行、図１）。特開２００４−４４８６７号公報（第３頁３〜２０行、図１）。

半導体工場用途クリーンルームでは、運転コスト削減、環境負荷低減のため、現在厳しい省エネルギー対策が求められている。半導体工場は排気を有する設備が多く、また工場内の清浄度維持のため、非常に多くの外気を導入する必要がある。工場内は年間を通じて恒温恒湿に保たれているので、冬期には導入される外気分の加湿を行わなければならない。
一方、クリーンルーム内の負荷は年間を通じ、非常に大きく、冬期においても冷房が必要である。水噴霧加湿システムは、このような冬期加湿時にも冷房負荷のある設備に対し、有効な省エネルギーシステムである。加湿のために必要だった温熱源（蒸気加湿の場合は蒸気源、ワッシャの場合はワッシャセクション前の加熱）を削減できる上、水の気化熱で室内の負荷処理を行うことができる。
水噴霧加湿を用いると、外調機もしくは空調機で行っていた加湿を削減もしくは停止することができる。その波及効果としてまったく温熱源を必要としない熱回収システムの構築が可能となる。最近はワッシャを組み込んだ外調機のワッシャ前段の加熱に排熱利用可能な熱媒を流して利用する場合が増えているが、どうしても蒸気などの温熱源が外気の加熱に必要である。例えば冬期にワッシャ出口露点温度をクリーンルーム露点温度１０．５℃に制御する場合、ワッシャ前段の空気温度を３０℃近くまで加熱しなければならない。最近の多くの外調機ではこの加熱に２５℃程度の設備冷却水還水との相互熱回収コイルを設けているが、これだけで３０℃近くまで加熱することは出来ないので、最終的には蒸気または温水で加熱している。ここにクリーンルーム循環経路に水加湿システムを追加すると、循環経路での加湿量を軽減できるので、外調機の加湿は排熱利用の熱媒による加熱のみで充分加湿可能である。例えばワッシャ出口露点温度を５℃にした場合、ワッシャ入り口温度は１３．５℃まで加熱すれば良く、全て熱回収が可能で、蒸気や温水などの温熱源も不要になる。これにより、空調設備に温熱源は不要となる。

導入外気の絶対湿度とクリーンルーム室内絶対湿度との差分の加湿の一部を、クリーンルームの空気循環経路に水噴霧加湿する方法を設け、外調機の加湿器と分担して加湿する場合、この水噴霧加湿する方法は、広い流量調整比を備えかつ精密に制御でき、その噴霧水滴を微細に噴霧しいち早く循環空気に水蒸気として加湿水を溶け込ませ壁面などに凝縮しないようにする必要がある。
このようなクリーンルーム循環経路に水噴霧加湿する方法に対しては、その噴霧粒径の小ささ、噴霧量の流量調整可能範囲の大きさから、空気と水を供給する二流体ノズルを用いると有利である。しかし、二流体ノズルから噴霧する水噴霧量を変化させようとすると、空気圧力と水加圧圧力とを調整してその噴霧量を変化させることとなる。特に、噴霧粒径を一定にしたまま水噴霧量を変化させるのは、空気の圧力、水の圧力、及び水の流量の調整が困難であり、これまで噴霧粒径・水量に対する、供給空気及び供給水の具体的な制御方法の開示がない。

例えば、ある二流体ノズルを用いて空気量と水量を制御する場合に、そのノズルの特性から、空気量及び水量の双方を各々比例制御弁を操作器として制御する方法を検討する。
図２は、空気アトマイジングの加圧式内部混合式二流体ノズルの、空気圧力―水噴霧量―水加圧圧力からなる流量線図の例である。この図中、等水加圧線図上には噴霧水滴の粒径、すなわち、ザウダー平均粒径（μｍ）をプロットしている。
ザウダー平均粒径ＳＭＤ＝Σｎｄ^３／Σｎｄ^２、ｎ＝個数、ｄ＝粒径（μｍ）
図２をみると、水の圧力一定で空気量（空気圧力）のみを空気比例制御弁のみ変化させる場合、図２中の〔２〕の線：水圧一定線上を変化させることとなり、水噴霧量を絞るには、逆に空気圧力は高くしなければならず、また不必要に噴霧水滴の粒径が小さくなり、圧縮空気発生ランニングコストが非常にかかる。
また、空気圧力一定で水量のみを水比例弁のみで変化させる場合、図２中の〔１〕の線：空気圧力一定線上を動き、絞っていくと空気量（空気圧力）のみ空気比例制御弁で変化させた場合よりゆるやかなものの、やはり水滴粒径は変化し、かつ圧縮空気は一定量必要であり圧縮空気発生ランニングコストがかかる。
これらに対し、図２の粒径を一定に、つまり等水加圧線図上にあるザウダー平均粒径の値が同じ点を繋いだ線、つまり図２中の〔３〕の線：粒径一定線上を変化させるように空気圧力と水の圧力とをうまく制御させることで、水量を絞る際には、空気圧力、つまり空気量を減らすことができ、圧縮空気発生ランニングコスト、及びそのエネルギーを大きく削減できる。噴霧粒径は、どの運転状態でもクリーンルーム壁・床などの内装を濡らさない最大限の一定の粒径であればよいはずで、より省エネルギーを考えた場合一定粒径制御が最善である。

次に、前記と同じ二流体ノズルを用いて、図２中の〔３〕の線：粒径一定線上を変化させるように空気圧力と水の圧力とをうまく制御させることを、空気量及び水量の各々の操作器である比例制御弁について、フィードバック系として計測器や調整計などで制御系を構成できるかを検討しシステムアップしてみた。
図８は、この検討結果のフィードバック系二流体水噴霧ノズルの比例制御装置の構成を示す図であって、水供給路１に制御弁３及び流量計ＦＭを設けると共に、空気供給路２に制御弁４及び圧力計Ｐを介装し、水供給路１と空気供給路２の下流側に多数の二流体水噴霧ノズル群５、５を並列接続する。水供給路１の制御弁３は湿度計Ｈから出る信号を湿度指示調節計ＨＩＣで処理して弁開度が決定される。空気供給路２の制御弁４は水の流量を計測する流量計ＦＭの信号を流量指示調節計ＦＩＣによって演算処理し、この演算値出力を空気圧力の設定値として指示調節計ＰＩＣへ入力し、これと圧力計Ｐでの測定値との演算から制御弁４の開度信号が発せられて操作される。このようにフィードバック系として構築すると、２つのフィードバック制御が必要で、かつそのうち１つはカスケード制御（１つの調節計演算出力値を、もう１つの調節計の設定値変更に使用する制御）である。このように２つのフィードバック制御系が別々に動作し、かつその内１つは設定値を随時変更するカスケード制御なので、全体の制御が発散しやすく不安定であり、制御装置の個数も多く高価である。

クリーンルーム室内の一定の温湿度を保持するため、及び加湿エネルギーを削減するため、外調機では、利用可能な排熱を利用した加熱を用いた水加湿のみ行ない、クリーンルームの循環空気系のレタンスペースや床下スペースに水噴霧加湿装置を設け、加湿量の制御を行なうシステムを組むことがもっとも有利である。特許文献１の技術では量が減少したとはいえ、外調機の加湿に燃料を用いる蒸気ボイラが相変わらず必要であり不利である。
このもっとも有利な加湿量制御システムを実現するため、室内に設置する水噴霧加湿には、微細粒径噴霧できる二流体ノズルを用いて、空気中に噴霧した水滴をすばやく完全に気化させる必要がある。完全な気化を行うためには噴霧液滴の粒径を小さくして表面積を大きくすることが有効であるが、特許文献２の技術は一流体ノズルを使用するので実現は難しい。
冬期において乾いた外気に対し、外調機での加湿は低温の排熱を用いた加熱後の断熱加湿のため不十分なので、室内の水噴霧加湿では相当量の加湿量を精密に加湿制御する必要がある。この加湿制御を省エネルギー・省ランニングコストに実現するには、前述のように二流体ノズルを用いた水噴霧の制御は水量と圧縮空気圧力（空気量）の同時制御が必要となる。

また図８について、検討した結果のフィードバック系二流体水噴霧ノズルの比例制御装置の場合、水量と圧縮空気圧力の同時制御は可能であるが次の問題がある。室内の湿度計Ｈの信号に基づき、まず水の流量を制御し、その水流量の流量計ＦＭからの信号を指示調節計ＦＩＣによって演算処理して空気圧力の設定値として指示調節計ＰＩＣに入力し、圧力計Ｐの検出値が設定値になるように比例制御弁で制御することによって、図２の粒径一定制御線上を動くようにする。このように、同時制御を実現するため２個のフィードバック制御、なおかつその内の１個は設定値を随時変更するカスケード制御を行なうため、非常にオーバーシュートやハンチングをおこしやすく不安定となりやすい。このむずかしい制御を実現するためには、制御機器の応答性を良くし、演算はオーバーシュートやハンチングをおこしにくいよう設定値の変更区分をいくつかに分け、それ毎に演算式を変更したりして、ゲインを小さくしないで良好な制御を行なうためには高価な機器と調整やプログラミングに大変な手間がかかる。
もし、２段のフィードバック制御に代えて室内湿度の計測値により、予め水の流量に連動するように空気圧を制御できる、水の流量変化計測値によらないフィードフォワード空気流量（圧力）制御が可能ならば高価な機器や手間が不要となる。

本発明は、二流体同時制御による水噴霧加湿方法及び装置の開発を意図したもので、クリーンルームにおける不十分な加湿状態の外気導入によるさらなる室内加湿に際して、クリーンルーム内装を濡らさないだけの噴霧水滴粒径を維持する噴霧量可変方法及び装置である。この噴霧水可変制御に際して、二流体のうちの水流量に基づく空気圧力フィードバック制御を用いず、アナログ変換器にプログラムされた粒径一定演算式に水バルブ開度信号値を導入するフィードフォワード制御により空気圧力を制御する、二流体ノズルの比例制御方法とその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１は、二流体水噴霧ノズルの圧縮空気量と水量とを制御して大規模クリーンルームを加湿する方法において、水側比例弁開度をもとにアナログ変換器を介してフィードフォワード方式で空気側比例弁開度を決定するようにしたことを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御方法である。請求項２は、水噴霧による加湿に、二流体水噴霧ノズルを用いて空気量と水量との両方を比例制御する方法において、水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定するフィードフォワード制御方式が採用できるよう、前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、水側比例弁の開度によるＣｖ値と空気側比例弁の開度によるＣｖ値とによって、水噴霧ノズルに供給する水と空気の圧力を規定するようにしたことを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御方法である。
請求項３は、水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定になるように水噴霧ノズルへ供給する水と空気の各圧力が変化するよう、前記水側比例弁の開度と空気側比例弁の開度を一義的に決めることを特徴とする請求項２に記載の二流体水噴霧ノズルの比例制御方法である。

請求項４は、二流体水噴霧ノズルの圧縮空気量と水量とを制御してクリーンルームを加湿する装置であって、水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を採用し、前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、水側比例弁の開度によるＣｖ値と空気側比例弁の開度によるＣｖ値とによって、水噴霧ノズルに供給する水と空気の圧力を規定するようにした二流体水噴霧ノズルの比例制御装置である。
請求項５は、水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定になるように水噴霧ノズルへ供給する水と空気の各圧力が変化するよう、前記水側比例弁の開度と空気側比例弁の開度を一義的に決めるようにした特徴とする請求項４に記載の二流体水噴霧ノズルの比例制御装置であり、請求項６は、粒径一定線上を変化させるように空気圧力と水の圧力とをうまく制御させるため、空気と水の操作器として比例制御弁を用い、バルブの選定は、対象とする流体の条件（入口圧力、出口圧力、体積流量、流体比重）に基づきＣｖ値（弁容量）を計算して、弁の持つ固有Ｃｖ値を元に選定したうえ、Ｃｖ値を用いて整理することで、水の比例制御弁の開度と空気の比例制御弁の開度を一義的紐付けしそれをアナログ演算式として用いることを特徴とする請求項４または５に記載の二流体水噴霧ノズルの比例制御装置である。また、請求項７は、二流体同時制御による水噴霧加湿装置であって、クリーンルームにおける不十分な加湿状態の外気導入によるさらなる室内加湿に際して、クリーンルーム内装を濡らさないだけの噴霧水滴粒径を維持し、噴霧水可変制御に際して、二流体のうちの水流量に基づく空気圧力フィードバック制御を用いず、アナログ変換器にプログラムされた粒径一定演算式に水バルブ開度信号値を導入するフィードフォワード制御により空気圧力を制御する４から６のいずれか1つの項に二流体ノズルの比例制御装置である。

上記のように本発明は、二流体水噴霧ノズルを比例制御することで、クリーンルームにおける主として冬季における湿度を制御する際に、二流体水噴霧ノズルを用い空気量と水量の両方を制御し、水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定する、フィードフォワード制御方式を採用し、しかも上記制御を可能にするため比例制御弁の前に減圧弁を設け、入り口圧力を一定に保つようにしたものである。このように構成したため、二流体ノズルでの水噴霧に必要な圧縮空気量を最低限に抑えて、半導体工場や液晶パネル加工工場等へ適用可能な制御方法と装置を実現することができた。また、二流体ノズルの比例制御として、オーバーシュートやハンチングの少ない良好な制御をコストをかけずに実現することができた。

図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明二流体水噴霧ノズルの比例制御方法を実施する装置の配置図である。
本発明は、二流体水噴霧ノズル（以下二流体ノズルと略記する）を用いてクリーンルームを加湿する方法において、圧縮空気量と水量とをアナログ変換器（ＡＤ変換器）によってフィードフォワード方式で比例制御するものである。
図１に示すように、水供給路１に減圧弁６、第１圧力計Ｐ、比例制御弁３、第２圧力計Ｐ及び流量計ＦＭを介装する一方、空気供給路２に減圧弁７、第１圧力計Ｐ、比例制御弁４及び第２圧力計Ｐを介装し、水供給路１と空気供給路２の下流側に多数の二流体ノズル群５、５を並列接続する。減圧弁６、減圧弁７は、二次側圧力を検出してバネ力や流れる流体差圧を利用して流量によらず弁の二次側圧力が設定値に固定可能なものである。水供給路１の制御弁３は湿度計Ｈの計測値信号を湿度指示調節計ＨＩＣで処理して水制御弁開度が決定される。空気供給路２の制御弁４は、湿度指示調節計ＨＩＣの出力信号をアナログ変換器ＡＣに導入して演算処理されて制御弁４の弁開度が決定される。以上のように、本発明の骨子は、ａ．二流体水噴霧ノズルを用い空気量と水量の両方を制御する。ｂ．水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を採っている。ｃ．上記制御を可能にするため比例制御弁の前に減圧弁を設け、入り口圧力を一定に保っている。

本発明では、構成要素の一つである、二流体水噴霧ノズル（以下二流体ノズルと略記する）について、比例制御方法を実施する装置に適するノズルを選定することが重要である。
本発明者等は、ノズルから噴霧する水滴の粒径が２０μｍに揃っていると、クリーンルームの循環空気リターンシャフト内という狭小な場所にノズルを設置し噴霧しても、空気の熱で潜熱蒸発が短時間にできて循環空気にうまく水蒸気になって乗れるので、水滴がクリーンルームの壁床や生産装置表面などに付着してしまうことがないとの知見を得た。以下にその事柄を示す。
まず、約１００ｍ^２のクリーンルームのリターンシャフト内に噴霧ノズルを設置し、室内の温湿度分布を測定した。制御する噴霧の粒径は５μｍ、１０μｍ、２０μｍとし、噴霧ノズルの設置ピッチは、１２ｍピッチ、６ｍピッチ、３ｍピッチとした。
測定結果の一例として、設定温湿度を２２℃、４４％ＲＨ、噴霧粒径２０μｍとし、噴霧ノズル設置ピッチ６ｍでの温湿度分布と、噴霧ノズル設置ピッチ１２ｍでの温湿度分布（図示省略）とを比較すると、前者の場合には、温湿度は±０．５℃以内、±１．６％以内に保たれており、ノズルからの距離によらず均等であったが、後者の場合にはノズルから近いほど湿度が高く、偏りが見られた。噴霧粒径と湿度分布との関係では、噴霧粒径が大きくなるほど湿度分布がやや大きくなる傾向が見られた。そして湿度分布への影響度としては噴霧粒径より噴霧箇所の方が大きかった。また、室内湿度の分布状況はどの噴霧粒径においても、６ｍピッチノズル設置噴霧の場合ほぼ均等であるのに対し、１２ｍピッチノズル設置噴霧の場合ノズルからの距離が近いほど湿度が高く、遠いほど低いという偏りが見られた。また噴霧箇所を３ｍピッチに増やしても６ｍピッチとの湿度分布がさらに小さくはならなかった。湿度分布試験の際、それぞれの場合について最低でも３時間以上の噴霧を行ったが全ての場合で壁、天井などの内装に結露を生ずることはなかった。なお、クリーンルームのシャフトの奥行き幅８００ｍｍで一般よりかなり狭く、噴霧部から天井までの距離は約５ｍあった。

これらの結果から、ノズル設置ピッチ６ｍ以下で温湿度分布は少なく、今回の微細な噴霧粒径では温湿度分布の違いはほとんどなかった。また今回噴霧を行ったレタンシャフト寸法は非常に狭かったが、粒径２０μｍでも内装に濡れを生じさせないことが確認できた。噴霧粒径が大きくなるほど噴霧に必要な圧縮空気を減らすことができる。例えば、粒径２０μｍ噴霧では５μｍ噴霧に比べ必要な圧縮空気量は約半分であるため、コスト面から噴霧粒径は２０μｍで良いと考えられる。また、噴霧するピッチは非常に外気が少ない場合でも６ｍ以下にしなければならないことがわかった。但し、一般に半導体工場向けクリーンルームの外気量は５回／ｈ以上あり、その場合外気量から算出される加湿量から、必然的に取り付けピッチは１〜２ｍと狭くなるので実用上はほとんど考慮しなくてよいことも判った。

これらの知見と、クリーンルームの工程で使用されるクリーンな圧縮空気がその圧縮機の経済性などから０．６〜０．７ＭＰａ程度の圧力で用意されている場合が多いことから、二流体ノズルの噴霧必要条件は、水量：５〜３０ｌ／ｈ、空気圧力：０．４〜０．６ＭＰａ（減圧弁必要差圧を除く）、噴霧水粒径：２０μｍであればよい。
この条件に適用できる二流体ノズルとして、液加圧式エアアトマイジング二流体ノズルを選択する。この形式以外に、サイフォンもしくは重力給水式二流体ノズルがあるが、その流量特性は、欲しい噴霧水粒径を変化させると、給水する水面レベルと空気圧力との関係が大きく変化する場合が多く、後述する本発明のアナログ演算式化が困難な場合がある。
各々のクリーンルーム設備の導入外気量やその建設地域により、加湿量を求め、その加湿量とノズル設置条件から水量を算出し、設備のもつ圧縮空気の供給圧力から液加圧式エアアトマイジング二流体ノズルの最大噴霧条件を決めていき、この条件を二流体ノズルの基準定格とする。例えば、二流体ノズルの最大噴霧条件を、水量：５．７（ｌ／ｈ）、空気圧力：０．４４ＭＰａ、粒径：２０μｍとすると、として、図２に示される、空気圧力―水噴霧量―水加圧圧力からなる流量線図の特性を持つ、空気アトマイジングの加圧式内部混合式二流体ノズルが選定できる。

この選定した二流体ノズル特有の空気圧力−水噴霧量−水圧力との関係を示す流量線図である、図２をみると、水の圧力一定で空気量（空気圧力）のみを空気比例制御弁のみ変化させる場合、図２中の[２]の線：水圧一定線上を変化させることとなり、水噴霧量を絞るには、逆に空気圧力は高くしなければならず、また不必要に噴霧水滴の粒径が小さくなって、圧縮空気発生ランニングコストが非常にかかること、また、空気圧力一定で水量のみを水比例弁のみで変化させる場合、図２中の〔１〕の線：空気圧力一定線上を動き、絞っていくと空気量（空気圧力）のみ空気比例制御弁で変化させた場合よりゆるやかなものの、やはり水滴粒径は変化し、かつ圧縮空気は一定量必要であり圧縮空気発生ランニングコストがかかることを示している。
これらに対し、図２の粒径を一定に、等水加圧線図上にあるザウダー平均粒径の値が同じ点を繋いだ線、つまり図２中の〔３〕の線：粒径一定線上を変化させるように空気圧力と水の圧力とをうまく制御させることで、水量を絞る際には、空気圧力、つまり空気量を減らすことができ、圧縮空気発生ランニングコスト、及びそのエネルギーを大きく削減できる。また、図２中、点Ａのように水圧０．０５ＭＰａで粒径２０μｍに保つには、点Ａから横軸に平行（空気圧一定）に伸ばした水量制御線が縦軸と交わる値の圧縮空気圧力０．４４ＭＰａを吹き付け、また、点Ｂのように水圧０．０２ＭＰａで粒径２０μｍに保つには、点Ｂから横軸に平行伸ばした水量制御線が縦軸と交わる値の圧縮空気圧力０．３４ＭＰａを吹き付ければよい。これら点Ａ、Ｂを結んだ線上を水量、空気量を同時にうまく制御させて動かせばよいことが判る。

図３に、選定した二流体ノズルの、圧搾空気圧力―空気の消費量の関係を示す空気流量線図を示す。
図２と図３とから、例えば噴霧水量を３．０ｌ／ｈまで絞る場合、図２中の〔１〕、〔２〕、〔３〕のそれぞれの線に沿って変化させる場合、それぞれの空気圧力は図２から、
〔１〕の空気圧力一定での水量制御では、０．４４ＭＰａ、
〔２〕の水加圧力一定での空気圧制御では、０．５５ＭＰａ、
〔３〕の噴霧水粒径一定になるように水量・空気圧ともの制御では、０．２６ＭＰａ
となる。
その各々の場合、圧縮空気量は図３より、
（１）の空気圧力一定での水量制御では、４９Ｎｌ／ｍｉｎ、
（２）の水加圧力一定での空気圧制御では、６０Ｎｌ／ｍｉｎ、
（３）の噴霧水粒径一定になるように水量・空気圧ともの制御では、３３Ｎｌ／ｍｉｎとなる。なお、圧縮空気量は、それを圧縮する圧縮機の運転動力と比例関係にある。よって、（３）の線上を制御する方式は、（１）に比べ３３／４９＝６７％、（２）に比べ３３／６０＝５５％の動力しか必要としないこととなる。加湿量は、冬期・中間期を通して殆どの時期が定格より下回る部分負荷なので、この方式を採用することによる省エネルギーは非常に大きい。

上記の、図２中の（３）の線：粒径一定線上を変化させるように空気圧力と水の圧力とをうまく制御させるため、空気と水の操作器として比例制御弁を用いる。バルブの選定は、対象とする流体の条件（入口圧力、出口圧力、体積流量、流体比重）などに基づきＣｖ値（弁容量）を計算して、弁の持つ固有Ｃｖ値を元に選定する。
本発明は、Ｃｖ値を用いて整理することで、水の比例制御弁の開度と空気の比例制御弁の開度を一義的紐付けしそれをアナログ演算式として用いることに特徴を持つ。

[Ｃｖ値について]
制御弁を通過する流体の量と、制御弁前後の差圧（制御弁における圧力損失）の関係を表す係数として、一般的にＣｖ値が用いられる。Ｃｖ値は弁の種類により決まる固有の値であり図Ｃのように、弁開度の関数として、Ｃｖ値特性として表され、Ｃｖ値は弁前後の差圧を１Ｐｓｉとし、１５．６℃の水が１分間に流れる量を米ガロンで表した値である。
Ｓｉ単位系に直すと、液体のＣＶ値は下式（１）（２）と定義される。
Ｃｖ＝１１．５６Ｑ√（Ｇ／ΔＰ） …（１）
Ｇ＝ρ／ρｗ …（２）
但し、Ｃｖ：容積係数、Ｑ：体積流量（ｍ^３／ｈ）、Ｇ：水に対する液体比重、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ρｗ：水の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ΔＰ：バルブの圧力損失（ｋＰａ）である。また気体は圧力、温度によって容積が変化するので補正して
Ｃｖ＝Ｑｇ／２．９５√（Ｇｇ・Ｔ／ΔＰ(Ｐ１＋Ｐ２)） …（３）
Ｇｇ＝ρ／ρｇ …（４）
Ｃｖ：容積係数、Ｑｇ：標準状態の空気流量（Ｎｍ^３／ｈ）、Ｇｇ：空気に対する比
重、Ｔ：温度（Ｋ°）、ΔＰ：バルブの圧力損失（ｋｐａ）、Ｐ１：バルブの入口圧力（ｋＰａ（Ａ））、Ｐ２：バルブの出口圧力（ｋＰａ（Ａ））、ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ρＧ：空気の密度（ｋｇ／ｍ^３）。

３．アナログ演算式の求め方
これら既知のノズル特性、バルブＣｖ値特性をもとに、水弁開度―空気弁開度の関係式であるアナログ演算式を求めていく。
後段に５つのノズルを制御する場合について考える。粒径を２０μｍとして、ノズルの最大噴霧量を５．７(ｌ／ｈ)とする。このとき図５より、必要な空気圧力は０．４４ＭＰａ、水圧力は０．０５ＭＰａとなる。制御弁出口からノズルまでの配管圧力損失を小さく設計すると、ノズルにかける圧力条件（点Ａ）＝制御弁出口圧力Ｐ２である。また、制御弁の入口圧力Ｐ１は減圧弁によって一定に保たれている。その圧力を空気０．５５ＭＰａ（６５１ＫＰａ（Ａ））、水０．１ＭＰａ（２０１ＫＰａ（Ａ））とする。
体積流量は、空気はノズルの空気圧と空気量の関係を表した線図（図４）と圧力０．４４ＭＰａより４９Ｎｌ／ｍｉｎ（２．９４Ｎｍ^３／ｈ）のノズルが５ケで１４．７ｍ^３／ｈ、水は条件より５．７(ｌ／ｈ)か５ケで２８．５(ｌ／ｈ)＝０．０２８５ｍ^３／ｈである。以上より求めた空気、水のＣｖ値を表１に示す。ここで表１中制御弁入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２は絶対圧であるため、ゲージ圧（例えば空気圧Ｐ１＝０．５５ＭＰａ（Ｇ）＝５５０ｋＰａ（Ｇ））に大気圧１０１．３２ｋＰａを加えた値（例えば空気圧Ｐ１＝５５０ｋＰａ（Ｇ）＝５５０＋１０１．３２ｋＰａ（Ａ）＝６５１ｋＰａ（Ａ））となる。
このＣｖ値が必要な最大Ｃｖ値となる。これに対し制御弁の定格Ｃｖ値は０．０５、０．１、０．２、０．４、１、２、５ととびとびに規格され、その内求めたＣｖ値に近くても下回る弁は不適であり、制御弁のＣｖ値は水用０．０５、空気用０．４で選定した。図４に選定した空気制御弁のＣｖ値特性を、図５に選定した水制御弁のＣｖ値特性を示す。図２上のＡ点の状態は、表１及び図５より空気制御弁開度→７５％、図６より水制御弁開度→１００％である。

次に図２の点Ｂについて空気、水のＣｖ値を表２に示す。点Ａと同様に計算すると、このときの制御弁の開度は、図５より空気制御弁開度→６１％、図６より水制御弁開度 →８２％である。

次に図２の点Ｃについて空気、水のＣｖ値を表３に示す。点Ａと同様に計算するとこのときの制御弁の開度は図５より空気制御弁開度→５２％、図６より水制御弁開度→５９％である。

これらＡ〜Ｃ点の開度演算の結果を横軸を水弁開度、縦軸を空気弁開度としてグラフにすると図７のようになり、水弁開度からアナログ演算式ｙ＝ｆ（ｘ）で空気弁開度を決定することができる。また、アナログ演算を簡単にＡＣを結んだ一次式ｙ＝ａｘ＋ｂとしても良い。アナログ演算式はノズル、バルブの特性と与条件により異なるので、条件に合わせて式を求める必要がある。このように求めた演算式はＰＬＣや調節計などアナログ入力値ＡＩに対し演算してアナログ出力値ＡＯを出力できる演算装置にプログラムして制御を実行させる。なお、アナログ演算による制御を可能にする条件は、ノズル直近圧力（Ｐ３、Ｐ４…、Ｐｈ）≒制御弁出口圧力Ｐ２として、制御弁入口条件Ｐ１を固定（圧力変動を減圧弁で吸収）し、制御弁以降の配管サイズを太くし、圧力損失を少なくする。
要するに、水噴霧による加湿に、二流体水噴霧ノズルを用いて空気量と水量との両方を比例制御する方法において、水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定するフィードフォワード制御方式が採用できるよう、図１に示すごとく、水側比例弁３および空気側比例弁４の上流側に減圧弁６、７をそれぞれ設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、水側比例弁の開度によるＣｖ値と空気側比例弁の開度によるＣｖ値とによって、水噴霧ノズルに供給する水と空気の圧力を規定するようにしたものである。

上記のように、本発明では、１．加湿に水噴霧を用いた。２．二流体ノズルを用い空気量と水量の両方を制御した。３．水側比例弁開度をもとに、アナログ変換器を介して空気側比例弁開度を決定する、フィードフォワード制御方式を採っている。４．上記制御を可能にするため比例制御弁の前に減圧弁を設け、入り口圧力を一定に保っている。このように構成したため、蒸気量を大幅に削減すると共に圧縮空気量を最低限に抑えて、半導体工場や液晶パネル加工工場等へ適用可能な制御性を実現することができた。

本発明二流体水噴霧ノズルの比例制御方法を実施する装置の構成図である。二流体水噴霧ノズルにおいて水圧・水量一定として空気を制御した場合の水量−空気量同時制御の状態を示す特性線図である。二流体水噴霧ノズルの流量特性線図である。二流体水噴霧ノズルの別の流量特性線図である。空気比例弁開度とＣｖ値との関係を示す線図である。水制御弁の特性線図である。空気弁開度と水弁開度との関係を示す線図である。従来形二流体水噴霧ノズルの比例制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１供給水路２圧縮空気路
３、４比例制御弁５二流体噴霧ノズル
６、７減圧弁Ｈ湿度計（検出部）
Ｐ圧力計ＡＣアナログ変換器
ＦＭ流量計ＨＩＣ湿度指示調節計
ＦＩＣ流量指示調節計ＰＩＣ空気圧指示調節計

Claims

二流体水噴霧ノズルに供給する圧縮空気量と水量とを、水側比例弁および空気側比例弁で制御して水噴霧加湿する二流体水噴霧ノズルの比例制御方法であって、
前記水側比例弁の弁開度は、室に設置した湿度計の計測値信号を処理した湿度指示調節計からの開度出力信号に基づいて制御され、
前記空気側比例制弁の弁開度は、前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、アナログ変換器を介して弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を用い、
二流体水噴霧ノズルの加湿量を変化させても水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定のまま、水噴霧ノズルへ供給する水量と圧縮空気の圧力が、水量が小さい場合に圧力も小さくなるように変化するよう、
前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、
ノズル特性から必要供給水圧を前記水側比例弁の水弁Ｃｖ値として、必要空気圧を前記空気側比例弁の空気弁Ｃｖ値としてそれぞれ求め、
水弁Ｃｖ値を水制御弁特性から水側比例弁の弁開度に換算し、空気弁Ｃｖ値を空気制御弁特性から空気側比例弁の弁開度に換算し、
水弁開度をｘ、空気弁開度をｙとしてｙ＝ｆ（ｘ）とするアナログ演算式により前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、空気弁開度を決定することを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御方法。
二流体水噴霧ノズルに供給する圧縮空気量と水量とを、水側比例弁および空気側比例弁で制御して水噴霧加湿する二流体水噴霧ノズルの比例制御方法であって、
前記水側比例弁の弁開度は、室に設置した湿度計の計測値信号を処理した湿度指示調節計からの開度出力信号に基づいて制御され、
前記空気側比例制弁の弁開度は、前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、アナログ変換器を介して弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を用い、
二流体水噴霧ノズルの加湿量を変化させても水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定のまま、水噴霧ノズルへ供給する水量と圧縮空気の圧力が、水量が小さい場合に圧力も小さくなるように変化するよう、
前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、
ノズル特性から必要供給水圧を前記水側比例弁の水弁Ｃｖ値として、必要空気圧を前記空気側比例弁の空気弁Ｃｖ値としてそれぞれ求め、
水弁Ｃｖ値を水制御弁特性から水側比例弁の弁開度に換算し、空気弁Ｃｖ値を空気制御弁特性から空気側比例弁の弁開度に換算し、
水弁開度をｘ、空気弁開度をｙとしてｙ＝ａｘ＋ｂ（ただしａ及びｂは係数）とするアナログ演算式により前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、空気弁開度を決定することを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御方法。
二流体水噴霧ノズルに供給する圧縮空気量と水量とを、水側比例弁および空気側比例弁で制御して水噴霧加湿する二流体水噴霧ノズルの比例制御装置であって、
前記水側比例弁の弁開度は、室に設置した湿度計の計測値信号を処理した湿度指示調節計からの開度出力信号に基づいて制御され、
前記空気側比例制弁の弁開度は、前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、アナログ変換器を介して弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を用い、
二流体水噴霧ノズルの加湿量を変化させても水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定のまま、水噴霧ノズルへ供給する水量と圧縮空気の圧力が、水量が小さい場合に圧力も小さくなるように変化するよう、
前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、
ノズル特性から必要供給水圧を前記水側比例弁の水弁Ｃｖ値として、必要空気圧を前記空気側比例弁の空気弁Ｃｖ値としてそれぞれ求め、
水弁Ｃｖ値を水制御弁特性から水側比例弁の弁開度に換算し、空気弁Ｃｖ値を空気制御弁特性から空気側比例弁の弁開度に換算し、
水弁開度をｘ、空気弁開度をｙとしてｙ＝ｆ（ｘ）とするアナログ演算式により前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、空気弁開度を決定することを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御装置。
二流体水噴霧ノズルに供給する圧縮空気量と水量とを、水側比例弁および空気側比例弁で制御して水噴霧加湿する二流体水噴霧ノズルの比例制御装置であって、
前記水側比例弁の弁開度は、室に設置した湿度計の計測値信号を処理した湿度指示調節計からの開度出力信号に基づいて制御され、
前記空気側比例制弁の弁開度は、前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、アナログ変換器を介して弁開度を決定するフィードフォワード制御方式を用い、
二流体水噴霧ノズルの加湿量を変化させても水噴霧ノズルから噴霧する液滴のザウダー平均粒径が一定のまま、水噴霧ノズルへ供給する水量と圧縮空気の圧力が、水量が小さい場合に圧力も小さくなるように変化するよう、
前記水側比例弁および前記空気側比例弁の各上流側に減圧弁を設けて各比例弁入口圧力を一定値に保つことで、
ノズル特性から必要供給水圧を前記水側比例弁の水弁Ｃｖ値として、必要空気圧を前記空気側比例弁の空気弁Ｃｖ値としてそれぞれ求め、
水弁Ｃｖ値を水制御弁特性から水側比例弁の弁開度に換算し、空気弁Ｃｖ値を空気制御弁特性から空気側比例弁の弁開度に換算し、
水弁開度をｘ、空気弁開度をｙとしてｙ＝ａｘ＋ｂ（ただしａ及びｂは係数）とするアナログ演算式により前記水側比例弁の開度出力信号をもとに、空気弁開度を決定することを特徴とする二流体水噴霧ノズルの比例制御装置。