JP4960292B2 - 温湿度調整装置 - Google Patents
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Description
しかし、近年、精密加工分野でも、従来よりも更に加工精度の高い精密加工等が要求される工程が出現しつつある。
かかる高い精密加工等が要求される工程では、通常、クリーンルームの温度変化よりも更に小さな温度変化の環境であることが要求される。このため、高い精密加工等が要求される工程は、精密な温度管理がなされている空間ユニット内に設けられる。
図34に示す温度調整装置には、圧縮機100、三方弁102、凝縮器104、膨張弁106、冷却器108および加熱器110が設けられており、冷却器108を具備する冷却流路と加熱器110を具備する加熱流路とが設けられている。
かかる冷却器108と加熱器110とによって、ファン112から吹き出す温度調整対象の空気流の温度が調整される。
一方、三方弁102によって加熱流路側に分配する高温の熱媒体の流量を調整することによって、冷却器108で冷却された温度調整対象の空気流に対する加熱器110での加熱量を調整できる。
しかし、図34に示す温度調整装置では、圧縮機100で圧縮された高温の熱媒体の全量が膨張弁106を通過して断熱的に膨張されて冷却され、冷却器108に供給されるため、ファン112から吹き出す温度調整対象の空気流に対する温度調整は、専ら加熱器110に供給する圧縮機100で圧縮された高温の熱媒体の再加熱によって行われる。
このため、冷却器108および加熱器110を通過する温度調整対象の空気流の設定温度を大幅に高くする場合、温度調整対象の空気流の温度が設定温度に到達しなかったり、設定温度に到達するまでに著しく時間がかかることがある。
さらに、図34に示す温度調整装置では、冷却器108および加熱器110を通過する温度調整対象の空気流の湿度を調整する湿度調整機能が設けられておらず、空気流に湿度調整を施すことはできない。
しかも、図35の温湿度調整装置の加熱量不足を補うことのできる量の加熱水蒸気を噴霧ノズル114、114、・・・から噴出すると、空気流の湿度調整が困難となる場合がある。
他方、空気流の湿度調整を行うことのできる量の加熱水蒸気を、噴霧ノズル114、114、・・・から噴出しても、温湿度調整装置の加熱量不足を補うことができない場合がある。
したがって、図35に示す温湿度調整装置によって、空気流の温度および湿度を同時に調整できる範囲はさらに一層狭くなる。
前記加湿器に水を噴霧する噴霧ノズルを用いることができる。
あるいは前記加湿器に超音波加湿器や蒸気加湿器を用いることができる。
また、第2冷却回路の凝縮器で放熱される熱が第2ヒートポンプ回路の蒸発器で吸熱され利用されることを特徴とする。
まず、温湿度調整装置54のうち、基本的な構成となる温度調整装置50について、図1〜図6により説明する。
図1は温度調整装置50の概略図である。
温度調整装置50の概略は次のとおりである。すなわち、第1圧縮機18から送り出される第1熱媒体の一部が第1分配器20により分配され、第1加熱器(凝縮器)14、膨張弁34、蒸発器(吸熱器)32、第1圧縮機18の順に循環される第1ヒートポンプ回路と、第1圧縮機18から送り出される第1熱媒体の残余部が前記第1分配器20により分配され、凝縮器26、膨張弁28、第1冷却器(蒸発器)16、第1圧縮機18の順に循環される第1冷却回路と、前記第1分配器20を制御し、第1ヒートポンプ回路と第1冷却回路とに分配される高温の第1熱媒体の分配比率を調整して、第1加熱器14と第1冷却器16とを通過する温湿度調整対象の空気を設定温度に制御する第1制御部22aとを具備する。
図1に示す温度調整装置50には、ファン12によって、空間ユニット10内に、後記する加減湿装置から吸込んだ空気を温度調整する第1加熱器(凝縮器)14を備える第1ヒートポンプ回路と、第1冷却器(蒸発器)16を備える第1冷却回路とが設けられている。
かかる第1加熱器14および第1冷却器16には、第1熱媒体として、例えばプロパン、イソブタンやシクロペンタン等の炭化水素、フロン類、アンモニア、炭酸ガスが供給される。
かかる比例三方弁20は、第1制御部22aによって制御されている。この第1制御部22aでは、空間ユニット10内に設けられた出口側の第1温度センサ24によって測定された測定温度と設定された設定温度と比較し、測定温度が設定温度と一致するように、第1加熱器14側と第1冷却器16側とに分配する高温の第1熱媒体の分配比率を実質的に連続して変更し、空間ユニット10内に吸込まれた空気を所定温度に調整する。
かかる第1制御部22aに設定する設定温度は、任意に設定できるようにしてもよい。また、図1に示す第1温度センサ24は、ファン12の吐出側に設置されているが、ファン12の吸入側に設置してもよく、ファン12の吐出側および吸入側に設けてもよい。
なお、アキュームレータ36を設置しなくても、吸熱器32で空気流から吸熱して昇温された熱媒体と、第1冷却器16に供給されて空間ユニット10内に吸込まれた空気流から吸熱した熱媒体とを合流して、第1圧縮機18に再供給できればよい。
その結果、例えば、図34に示す温度調整装置では、その温度設定範囲が20〜26℃程度であるが、図1に示す温度調整装置では、その温度設定範囲を18〜35℃と大幅に拡大できる。
例えば、図34に示す補助ヒータ114を設けた温度調整装置では、全消費エネルギーの内訳は、圧縮機100が18%、補助ヒータ114が69%、および送風機112が13%である。この点、図1に示す温度調整装置では、補助ヒータ114の消費エネルギーをカットできる。
このため、吐出量が20m3/min程度の水冷式空調機に、図34に示す温度調整装置の方式を適用した場合には、最大消費電力が11.7KWであったが、図1に示す温度調整装置の方式を適用すると、最大消費電力を2.4KW程度とすることができる。
他方、第1圧縮機18の吐出圧がバネ40cの付勢力以下となったとき、弁体40bが弁部40aの開口部を閉じる方向に移動し、凝縮器26に供給される冷却水量が減少して、凝縮器26の冷却能力が低下する。このため、第1圧縮機18の吐出圧が高くなる。
このように、第1圧縮機18の吐出圧を一定に保持することによって、温度調整装置を安定して運転できる。また、凝縮器26に冷却水量が必要以上に供給され、系外に排出されないように調整できる。
また、温度調整対象の空気流の温度が低温である場合、加熱流路の加熱器14に供給された高温の第1熱媒体は、加熱器14で低温の空気流によって凝縮され、第1圧縮機18の吐出圧が所定圧よりも低圧となるため、制御弁40が閉じて凝縮器26に冷却水が供給されなくなる。
しかも、第1加熱器14で放熱して凝縮した第1熱媒体を膨張弁34で断熱的に膨張して冷却した第1熱媒体と冷却水との熱交換が行われず、吸熱器32が凍結するおそれがある。
第1圧縮機18の吐出圧が上昇し所定圧近傍に到達したとき、制御弁44を第1制御部22aからの信号によって閉じる。その後は、制御弁40によって第1圧縮機18の吐出側の圧力が一定に保持されるように、凝縮器26に供給される冷却水の供給量を制御する。
なお、図3に示す温度調整装置では、その構成部材が図1に示す温度調整装置の構成部材と同一部材である場合には、図1の構成部材と同一番号を付し、詳細な説明を省略した。
図4に示す温度調整装置では、第1加熱器14で放熱した第1熱媒体が膨張弁34によって断熱膨張して更に冷却されて供給されている吸熱器32に、ファン46によって凝縮器26に吹き付けられて加熱された空気流が吹き付けられる。このため、吸熱器32では、第1加熱器14で放熱・凝縮し断熱膨張して更に冷却した第1熱媒体が空気流から吸熱して昇温される。
なお、図4に示す温度調整装置では、その構成部材が図1に示す温度調整装置の構成部材と同一部材である場合には、図1の構成部材と同一番号を付し、詳細な説明を省略した。
その際に、ゲートバルブ38a,38bの各々は、図6に示す様に、バルブ開度と流量との関係は直線状でない。このため、第1制御部22aでは、図6に示すゲートバルブ38a,38bの各々についての流量特性データを保持し、第1制御部22aからは、ゲートバルブ38a,38bの各流量特性に基づいて各ゲートバルブ38a,38bへの開度信号を発信する。
加減湿装置52における熱媒体(第2熱媒体)の循環回路の基本構成は温度調整装置50と同じである。
すなわち、加減湿装置52は、第2圧縮機68から送り出される第2熱媒体の一部が第2分配器70により分配され、第2加熱器(凝縮器)64、膨張弁84、蒸発器82、第2圧縮機68の順に循環される第2ヒートポンプ回路と、第2圧縮機68から送り出される第2熱媒体の残余部が前記第2分配器70により分配され、凝縮器76、膨張弁78、第2冷却器(蒸発器)66、第2圧縮機68の順に循環される第2冷却回路と、第2分配器70を制御し、第2ヒートポンプ回路と第2冷却回路とに分配される高温の第2熱媒体の分配比率を調整して、第2加熱器64と第2冷却器66とを通過する温湿度調整対象の空気を必要な所要温度に制御する第2制御部72aとを具備する。
第1冷却器16、第1加熱器14による空気流の加熱制御は前記したとおりである。
加減湿装置52は、さらに、第2加熱器の手前側に配置され、第2加熱器64を通過する空気に加湿するための水を噴霧する噴霧ノズル88と、該噴霧ノズル88から噴出される水の量を調整する水量制御弁92とを有する。
上記のように、噴霧ノズル88は、第2冷却器66と第2加熱器64との間に配設されていて、第2冷却器66によって除湿された空気に所定量の水を噴霧する。噴霧ノズル88は、複数のノズルが配設されたものとなっていて、空間ユニット10内に均一に水を噴霧できるようになっている。
噴霧ノズル88には、水タンク120に貯留されている純水がポンプ122および水供給配管124に設けられた上記水量制御弁92を経由して供給される。噴霧ノズル88は圧縮空気によって水を霧状にして噴霧する2流体ノズルで形成され、この圧縮空気は配管128を経由して噴霧ノズル88に供給される。
水タンク120には、前記配管30を経由して供給された通常水を純水器130に供給して得た純水が貯留されている。この水タンク120の純水の貯留量は、純水供給配管132に設けられた制御弁134によって一定に保持されている。
上記噴霧ノズル88、水量制御弁92等によって加湿器を構成する。
なお、加湿器の噴霧ノズル88は、2流体ノズルでなく、超音波によって水を噴霧するノズル(超音波加湿器)であってもよく、あるいは場合によっては工場排熱等による水蒸気そのものを噴出するノズル(蒸気加湿器)であってもよい。
温湿度調整装置54は、さらに、第2冷却器66、第2加熱器64、第1冷却器16、第1加熱器14を通過した出口空気の温度を検出する第1温度センサ24と、第2冷却器66、第2加熱器64、第1冷却器16、第1加熱器14を通過した出口空気の湿度を検出する第1湿度センサ136とを有する。
上記のように構成される温湿度調整装置54では、温湿度調整対象の空気が、第2冷却器66、第2加熱器64、第1冷却器16、第1加熱器14を通過し、通過する空気が、加減湿装置52により必要な所要温度および水分量に調整されるとともに、温度調整装置50により所望温度および湿度に調整される。
以下に述べる制御の全体は、図示しない全体制御部によってなされる。
まず、出口空気の所望の設定温度と湿度を全体制御部に入力する(S1、S2)。
この入力された出口空気の設定湿度と第1湿度センサ136によって計測した出口空気の湿度とにより、噴霧ノズル88から噴霧される水分量が必要な水分量となるように、湿度制御部138により水量制御弁92を調整する(S3)。噴霧ノズル88からは、必要十分な水分量が噴霧されればよく、不足にならないようにだけ噴霧され、余分な水分は冷却器で凝縮されて除湿されるので、多めに噴霧される。
そして、全体制御部には、第2冷却器66および第2加熱器64を通過して第2温度センサ140で計測される温度の設定値として上記算出露点温度をあらかじめ入力される(S5)。
この第2温度センサ140と第2制御部72aによる、第2加熱器64の出口の空気温度制御、および前記噴霧ノズル88から噴出される噴霧水量の制御によって、必要な水分量が通過空気中に含まれる。
また、第2冷却器66と第2加熱器64とを、図9(b)に示すように、空気が第2加熱器64に供給された後、第2冷却器66に供給されるように配設し、第2冷却器66と第2加熱器64との間に噴霧ノズル88を配設してもよい。この場合も、噴霧ノズル88からの噴霧は第2加熱器64で加熱され、空気流によって十分に加熱できる。
ただし、例えば、図9(a)に示す第2加熱器64と第2冷却器66との配置であって、図9(d)に示すごとく、第2冷却器66の空気の入口側に噴霧ノズル88を配設した場合には、噴霧ノズル88から噴霧された純水は、第2冷却器66内で凝縮されて空気流から除去されるため、空気流を所定の温度に調整することが困難となる。
以下、入口側からの配置で示す。
図11:第1冷却器16、第2加熱器64、第2冷却器66、噴霧ノズル88、第2温度センサ140、第1加熱器14。
図12:第1冷却器16、噴霧ノズル88、第2加熱器64、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1加熱器14。
図13:第1冷却器16、第2冷却器66、噴霧ノズル88、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1加熱器14。
図15:第1冷却器16、噴霧ノズル88、第2冷却器66、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1加熱器14。
図16:第1加熱器14、第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1冷却器16。
図17:第1加熱器14、第2加熱器64、第2冷却器66、噴霧ノズル88、第2温度センサ140、第1冷却器16。
図18:第1加熱器14、噴霧ノズル88、第2加熱器64、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1冷却器16。
図20:第1加熱器14、第2冷却器66、第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2温度センサ140、第1冷却器16。
図21:第1加熱器14、噴霧ノズル88、第2冷却器66、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1冷却器16。
図22:第2冷却器66、第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2温度センサ140、第1冷却器16、第1加熱器14。
図23:第2冷却器66、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1冷却器16、噴霧ノズル88、第1加熱器14。
図24:第2冷却器66、噴霧ノズル88、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1冷却器16、第1加熱器14。
図26:第2加熱器64、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1冷却器16、噴霧ノズル88、第1加熱器14。
図27:第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1冷却器16、第1加熱器14。
図28:第2冷却器66、第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2温度センサ140、第1加熱器14、第1冷却器16。
図29:第2冷却器66、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1加熱器14、噴霧ノズル88、第1冷却器16。
図30:第2冷却器66、噴霧ノズル88、第2加熱器64、第2温度センサ140、第1加熱器14、第1冷却器16。
図32:第2加熱器64、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1加熱器14、噴霧ノズル88、第1冷却器16。
図33:第2加熱器64、噴霧ノズル88、第2冷却器66、第2温度センサ140、第1加熱器14、第1冷却器16。
図10〜図33の各部の配列によっても、最終的な出口温度と出口湿度の調整が可能である。なお、図10〜図33に示すように、第2加熱器(DH)64、第2冷却器(DC)66は隣接して配置するのが好ましい。
12 ファン
14 第1加熱器
16 第1冷却器
18 第1圧縮機
20 第1分配器(三方弁)
22a 第1制御部
24 第1温度センサ
26 凝縮器
28 膨張弁
30 配管
31 配管
32 吸熱器
34 膨張弁
36 アキュームレータ
38a、38b 二方弁
40 制御弁
44 制御弁
50 温度調整装置
52 加減湿装置
54 温湿度調整装置
64 第2加熱器
66 第2冷却器
68 第2圧縮機
70 第2分配器(三方弁)
72a 第2制御部
24 第1温度センサ
76 凝縮器
78 膨張弁
80 配管
81 配管
82 吸熱器
84 膨張弁
86 アキュームレータ
90 制御弁
94 制御弁
136 第1湿度センサ
138 第2制御部
140 第2温度センサ
Claims (10)
- A:第1圧縮機から送り出される第1熱媒体の一部が第1分配器により分配され、第1加熱器(凝縮器)、膨張弁、蒸発器、第1圧縮機の順に循環される第1ヒートポンプ回路と、第1圧縮機から送り出される第1熱媒体の残余部が前記第1分配器により分配され、凝縮器、膨張弁、第1冷却器(蒸発器)、第1圧縮機の順に循環される第1冷却回路と、前記第1分配器を制御し、第1ヒートポンプ回路と第1冷却回路とに分配される高温の第1熱媒体の分配比率を調整して、第1加熱器と第1冷却器とを通過する温湿度調整対象の空気を設定温度に制御する第1制御部とを具備する温度調整装置;
B:第2圧縮機から送り出される第2熱媒体の一部が第2分配器により分配され、第2加熱器(凝縮器)、膨張弁、蒸発器、第2圧縮機の順に循環される第2ヒートポンプ回路と、第2圧縮機から送り出される第2熱媒体の残余部が前記第2分配器により分配され、凝縮器、膨張弁、第2冷却器(蒸発器)、第2圧縮機の順に循環される第2冷却回路と、前記第2分配器を制御し、第2ヒートポンプ回路と第2冷却回路とに分配される高温の第2熱媒体の分配比率を調整して、第2加熱器と第2冷却器とを通過する温湿度調整対象の空気を必要な所要温度に制御する第2制御部と、加湿器とを具備する加減湿装置;
を具備し、
温湿度調整対象の空気が、第2冷却器、第2加熱器、第1冷却器、第1加熱器を通過し、通過する空気が、前記Bの加湿器を有する加減湿装置により必要な所要温度および水分量に調整されるとともに、前記Aの温度調整装置により所望温度および湿度に調整されることを特徴とする温湿度調整装置。 - 前記加湿器が水を噴霧する噴霧ノズルであることを特徴とする請求項1記載の温湿度調整装置。
- 前記加湿器が超音波加湿器であることを特徴とする請求項1記載の温湿度調整装置。
- 前記加湿器が蒸気加湿器であることを特徴とする請求項1記載の温湿度調整装置。
- C:前記第2冷却器、第2加熱器、第1冷却器、第1加熱器を通過した出口空気の温度を検出する第1温度センサ;
D:前記第2冷却器、第2加熱器、第1冷却器、第1加熱器を通過した出口空気の湿度を検出する第1湿度センサ;
E:前記第2冷却器および第2加熱器を通過した空気の温度を検出する第2温度センサ;
F:全体制御部;
とを具備し、
該全体制御部により、
入力されている出口空気の設定湿度と前記第1湿度センサによって計測した出口空気の湿度とにより、前記加湿器から供給される水分量が必要な水分量となるように加湿器を制御し、
入力されている出口空気設定温度と入力されている出口空気設定湿度とから出口空気露点温度を算出し、
前記第2加熱器および第2冷却器を通過した空気の設定温度を、前記算出露点温度に設定し、
前記第2温度センサで検出される温度が上記算出露点温度の設定温度となるように、前記第2制御部により第2分配器による前記分配比率を調整し、
前記第1温度センサで検出される温度が前記設定出口温度となるように、前記第1制御部により前記第1分配器による分配比率を調整することを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の温湿度調整装置。 - 前記加減湿装置で、水分が除湿されるとともに、前記加湿器により必要な水分量に加湿されることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項記載の温湿度調整装置。
- 第1冷却回路の凝縮器で放熱される熱が第1ヒートポンプ回路の蒸発器で吸熱され利用されることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項記載の温湿度調整装置。
- 第2冷却回路の凝縮器で放熱される熱が第2ヒートポンプ回路の蒸発器で吸熱され利用されることを特徴とする請求項1〜7いずれか1項記載の温湿度調整装置。
- 第1分配器および第2分配器の少なくとも一方が、加熱器側に分配する高温の熱媒体と冷却器側に分配する高温の熱媒体との合計量が圧縮機から吐出された高温の熱媒体量と等しくなるように、高温の熱媒体を比例分配する比例三方弁であることを特徴とする請求項1〜8いずれか1項記載の温湿度調整装置。
- 第1分配器および第2分配器の少なくとも一方が、高温の熱媒体を加熱器側と冷却器側とに分岐する分岐配管の各々に設けられた二方弁であることを特徴とする請求項1〜8いずれか1項記載の温湿度調整装置。
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