JP5606946B2 - パージゾーンのない超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機 - Google Patents

Description

本発明は、超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機に係り、特に、超低露点温度を必要とする製造ラインに極めて乾燥した空気を供給するデシカント空調機に関する。

従来、超低露点温度を必要とする製造ラインでは、温湿度のコントロールが必要であり、特に、電子デバイス製造ラインでは、空気中に含まれる水分等が製品に付着することにより不良品の発生に繋がることから、極めて高い乾燥した空気、即ち超低露点の乾燥空気を供給することが求められていた。
このため、従来の超低露点の乾燥空気ＳＡを供給する空調機には、図３に示されるように、外気ＯＡをフィルターａを介してファンｂにより取込み、冷却器ｃで外気ＯＡを冷却し、回転式のデシカントロータｄを用いた高温再生型乾式除湿器が使用されている。
この高温再生型乾式除湿装置は、シリカゲル、ゼオライトなどの吸着材で構成したロータを備え、このロータの端面に位置する空気の通過域、すなわち例えばロータの端面に配置するチャンバ等の仕切りによる空気の通過区域を除湿ゾーン(処理ゾーン)ｅと再生ゾーンｆとに仕切り、ロータを回転させながら除湿ゾーンｅに処理空気を通過させて乾燥空気を作り出すと共に、再生ゾーンｆに１４０℃程度の高温の再生空気を通過させることによって、前記吸着材中の水分を再生空気中に蒸発させて、連続的に除湿処理を行うように構成され、より低露点を得る場合には、多段式、すなわち複数の乾式除湿装置を直列系統接続して運転する方法が知られている(例えば、特許文献１)。

この場合、ロータが高温の状態で除湿区域に移行すると、処理空気が除湿しないままロータを通過して露点を上昇させるので、低湿度に制御された空間からの空気など、低温の空気を通過させてロータを冷却するためのパージゾーンｇを再生区域と除湿区域との間に設けなければならなかった。すなわち、再生ゾーンｆ（水分放出側）から除湿ゾーンｅ（水分吸着側）へ回転してきたデシカントロータｄ自体は高温の状態であり、相当量の顕熱が再生側から処理側へ移動することになるため、デシカントロータｄは再生ゾーンｆ通過後、除湿ゾーンｅに入る前に、デシカントロータ冷却用の第３のゾーンであるパージゾーンｇに処理空気を通過させ、ロータを冷却する。通常、図示するように、パージゾーンｇには低露点の空気ＳＡの一部を供給し、還気ＲＡのヒータｈで１４０℃程度の高温空気にしてデシカントロータｄの再生ゾーンｆに供給して乾燥させ、この空気とパージゾーンを通過した空気ＳＡとをファンｉで排気することで、超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機を形成していた。
特許第３４８３７５２号公報

しかしながら、上述した従来の低露点デシカント空調機は、再生ゾーンに１４０℃程度の高温空気が必要であり、また、パージゾーンを設けなければならないことから、次のような問題点がある。
（１）再生空気温度が、１００℃少なくとも８０℃以上の高温であり、熱源に蒸気または電気ヒータを用いる必要があること。
（２）蒸気源を使用することが多いが、蒸気の生産時にＣＯ2を大量に生じる場合があり、ＣＯ2の削減に寄与できないこと。
（３）再生器に他の機器からの８０℃以下の温水の排熱が利用できないこと。
（４）除湿器の除湿性能を上げるため、パージが必要になること。
（５）再生側より処理側への熱移動が大きいため、処理側では温度が上がり、熱源の冷却負荷が増加する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、８０℃以下で再生可能なデシカントロータ（低温再生型乾式除湿器）を多段に配置することにより、使用する部材も通常（一般事務所空調）の耐熱性のものが使用可能となったパージゾーンのない超低露点温度の乾燥空気を室内に供給するデシカント空調機で、かつ、熱源負荷をより軽減させることが可能なデシカント空調機を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、処理ラインとして前段に第１冷却器を配置した第１デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第２冷却器を配置した第２デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第３冷却器を配置した第３デシカントロータの処理ゾーンとを直列に連通し、第１ファンを第１デシカントロータの処理ゾーン下流から室内側への供給と排気ラインとの分岐点の間に配置し、第１冷却器側から外気を吸い込み順次第２デシカントロータ及び第３デシカントロータの処理ゾーンで処理して超低露点の給気を室内側に供給し、室内からの還気を前記第１ファンの上流であって第２冷却器又は第３冷却器の上流に合流させて循環させるとともに、
再生ラインとして前段に第３再生器を配置した第３デシカントロータの再生ゾーンと、前段に第２再生器を配置した第２デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第１再生器を配置した第１デシカントロータの処理ゾーンとを直列に連通し、排気のための第２ファンを配置し、前記室内側に供給する前記給気の一部を第３デシカントロータの再生ゾーンに供給し、順次第２デシカントロータの再生ゾーン、第１デシカントロータの再生ゾーンを通過させるとともに、
前記第２冷却器の下流に蒸発器を配置し、第１凝縮器は第１再生器の上流、第２凝縮器は第２再生器の上流、第３凝縮器は第３再生器の上流にそれぞれ配置して、これら凝縮器の出力を前記蒸発器に入力し、該蒸発器と第１乃至第３の凝縮器との間に圧縮器を介在させ、該蒸発器の出力を該圧縮器に入力し、該圧縮器の出力を前記凝縮器の入力とした循環するヒートポンプ回路を形成し、
各デシカントロータの再生器は８０℃以下で加熱するとようにしたことを特徴とするパージゾーンのない超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機である。

本発明によれば、少なくとも３台のデシカントロータを直列に配置し、給気した室内から大量の還気を第１ファンの上流に循環処理するようにし、かつ、給気の一部を再生ゾーンに通過させて排気するようにし、さらに、冷却器と再生器にヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器とを組み込んだので、従来のパージゾーンを設けたデシカント空調機と同等の超低露点（−５０℃ＤＰ）が実現可能となり、再生空気が８０℃以下で良いのでパージゾーンが必要でなくなることから、従来の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機と比べて、次のような利点がある。
(１)パージゾーンが不要であること。
(２)デシカントロータに低温再生乾式除湿器を用いることができること。
(３)ヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器とを組み込んだことにより、これがデシカント空調機の一部熱源負荷を受け持つので、中央熱源の負荷が軽減される。
(４)再生空気が８０℃以下となることから、事務所用空調機のパネル等の部材も使用可能となること。
(５)再生器には８０℃以下の温水でもよいので、他の施設の排熱を容易に再生器に利用することが可能であり、蒸気源が不必要になること。

図１は、実施例のパージゾーンのない超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機１の系統図であって、主に直列に配置される第１デシカントロータ２１、第２デシカントロータ２２、第３デシカントロータ２３から構成される。そして、各デシカントロータの除湿する処理ゾーンの上流側には冷却器が配置され、第１デシカントロータ２１の前段には第１冷却器３１、第２デシカントロータ２２の前段には第２冷却器３２、第３デシカントロータ２３の前段には第３冷却器３３がそれぞれ配置される。また、各デシカントロータを加熱する再生ゾーンの上流側には再生器が配置され、空気の流れ順に第３デシカントロータ２３の前段には第３再生器４３、第２デシカントロータ２２の前段には第２再生器４２、第１デシカントロータ２１の前段には第１再生器４１がそれぞれ配置される。この第１〜３デシカントロータは、各再生器が低温度の８０℃以下の温水で加熱しているので、高温再生型乾式除湿器を用いる場合のパージゾーンを設けてはいない。

更に、本実施例では、図２に示すようなヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器とを、図１のデシカント空調機１に組み込んだものであるが、これはデシカント空調機１の冷却器負荷と再熱器負荷の一部をヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器で受け持つことにより、中央熱源の負荷を軽減するようにしたものである。
図２のヒートポンプ回路のブロック図に示すように、組み込まれるヒートポンプ回路は、圧縮器９５と蒸発器９４と３つの凝縮器９１,９２,９３から構成される。圧縮器９５から出力されるガス化した冷媒は、先ず並列の第１凝縮器９１と第２凝縮器９２に分岐されて各凝縮器９１,９２で再生空気を加熱し、更に、合流して第３の凝縮器９３に供給して再生空気を加熱すると同時に冷媒も液化する。その後、液化された冷媒は蒸発器９４に供給されて処理空気を冷却すると同時に冷媒はガス化して、圧縮器９５に戻り循環系を形成する。

次に、これらのヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器の図１のデシカント空調機１への組み込みを説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ回路の蒸発器９４は第２冷却器３２の直後の下流に配置し、第１凝縮器９１は第１再生器４１の直前の上流、第２凝縮器９２は第２再生器４２の直前の上流、第３凝縮器９３は第３再生器４３の直前の上流に配置した。
これらのうち、本実施例の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機においては、外気変動や室内負荷変動が生じると、冷却器３１及び冷却器３３の入口空気温度は大きく変動するが、冷却器３２の入口空気温度の変動は非常に少ない。すなわち、冷却器３２は年間を通してほぼ一定の負荷を処理している。
したがって、冷却器３２の負荷の一部をヒートポンプ回路の蒸発器９４で処理すれば、蒸発器の負荷変動を少なくすることができ、ヒートポンプ回路の安定した運転が可能となると同時に、その排熱をデシカント排気ラインの再生に利用すれば、中央熱源の負荷軽減に大きく貢献する。

すなわち、本発明の実施例の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機は、従来の高温再生型デシカント空調機と比べて、ドライルームＲへの給気ＳＡ(第３デシカントロータ23の出口空気)の温度が低い(略１２℃から１６℃)ため、第３デシカントロータ23の再生器４３の補助として配置する凝縮器９２（ヒートポンプ回路）の冷媒温度(圧力)が低くても、十分にそのエネルギーを利用することができることを見いだしたものである。
したがって、この知見に基づけば、ヒートポンプ回路の凝縮器９１,９２,９３を直列多段に配列することができ、図２において、第３凝縮器９３を第２凝縮器９２や第１凝縮器９１の下流に配置してもよく、第１凝縮器９１、第２凝縮器９２、第３凝縮器９３と各再生器との組み合わせは実施例に限定する必要はなく、要は再生器の負荷が軽減されるように配置すればよい。また、蒸発器９４も複数にしてもよく、第２デシカントロータ２２以外の第１或いは第３デシカントロータ２１,２３に配置してもよい。
言い換えれば、少なくとも各冷却器のいずれかの下流にヒートポンプ回路の蒸発器と、少なくとも各再生器のいずれかの上流にヒートポンプ回路の凝縮器を配置して、デシカント空調機での中央熱源の負荷の一部をヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器で受け持って、中央熱源の負荷を軽減している。

次に、図１で外気ＯＡから室内に乾燥空気の給気ＳＡを供給する処理ライン(図面下側)の構成から説明する。
外気ＯＡは第１ファン５１により吸い込まれるが、ダンパ６１により吸入量を規制されフィルター７１により第１冷却器(冷却コイル)３１で冷やされ、第１デシカントロータ２１の処理ゾーン211を通過してある程度除湿される。本実施例での第１ファン５１で吸い込まれる外気ＯＡ風量は１０００ＣＭＨ(m³／h)程度で、第１冷却器(冷却コイル)３１直後の到達露点は９.２４℃ＤＰ程度であった。
この除湿された中間空気は、室内Ｒからの還気ＲＡと混合され、第１ファン５１により次の第２デシカントロータ２２の前段の第２冷却器３２で冷やされ、第２デシカントロータ２２の処理ゾーン221を通過して更に除湿される。
本実施例では、前記還気ＲＡ量は、１０００ＣＭＨ(m³／h)程度で到達露点は−４０℃ＤＰ程度であるので、第１ファン５１は合計２０００ＣＭＨ(m³／h)で到達露点は−２０.２１℃ＤＰ程度となっている。

この中間到達露点が−２０℃ＤＰ程度に達した空気を第３冷却器３３及び蒸発器９４と、第２デシカントロータ２２の処理ゾーン221を通過させ到達露点を−３５.４６℃ＤＰ程度として、最終の第３デシカントロータ２３に送風し更に除湿する。この第３デシカントロータ２３の処理ゾーン231の上流には第３冷却器３３が配置され、乾燥空気は冷却されて到達露点は−５０℃ＤＰ程度まで除湿された後に、ドライルーム等の室内Ｒに給気通路８１により給気され、一部は返還通路８２から再生ラインに戻される。
本実施例では給気全体の約５０％に当たる１０００ＣＭＨ(m³／h)程度の給気を返還通路８２及び風量を制御するダンパ６３を介して再生ラインに戻している。この戻し率は、多ければそれだけ乾燥度合いが高いが、室内の給気ＳＡの量が少なくなるので、実際には戻し量は３０％から７０％が限度である。
また、室内側には給気全体の５０％に当たる給気が供給されるが、その−５０℃ＤＰ程度の乾燥空気の給気ＳＡは室内Ｒを満たした後、大部分は１０００ＣＭＨ(m³／h)程度で到達露点は−４０℃ＤＰ程度の還気ＲＡとなって、ダンパ６２によって風量制御されて、第１デシカントロータ２１の処理ゾーン211の下流の直後で、第２冷却器３２及び第２デシカントロータ２２の上流に配置した第１ファン５１の合流点Ａに戻され循環される。この循環処理により−５０℃ＤＰ程度の乾燥空気を維持している。なお、この場合に、還気ＲＡの一部(僅かな量)は漏れがあり、９ＣＭＨ(m³／h)程度であるが外部に放出(ＥＡ：一部)される。
なお、第１ファン５１の配置位置は、必ずしも、第１デシカントロータ２１と第２冷却器３２の間で合流点Ａ直後でなくても、合流点Ａの下流であって、第１冷却器３１の下流から、後述する給気通路８１と返還通路８２との分岐点Ｂの上流との間であればよい。
また、室内還気と処理ラインとの合流点Ａも、第１デシカントロータ２１の処理ゾーン211の下流の直後でなくとも、前記第１ファン５１の上流であれば、第１冷却器３１の下流から第３デシカントロータ２３の処理ゾーン231の上流の間に配置させればよく、到達露点は−５０℃ＤＰ程度になるように室内還気を合流させて循環させればよい。

先ず、図１で給気ＳＡの一部が再生ゾーンを通過して外部に排気ＥＡとなって排出される再生ライン(図面上側)の構成を説明する。
第３デシカントロータ２３の到達露点は−５０℃ＤＰ程度までであり、その除湿空気の一部(全体の５０％に当たる１０００ＣＭＨ(m³／h))は室内(Ｒ)へ給気され、また、その除湿空気の一部(全体の５０％に当たる１０００ＣＭＨ(m³／h))は再生ラインに戻される。その戻された除湿空気は、まず、第３デシカントロータ２３の凝縮器(加熱器)93及び再生ゾーン232の前段の第３再生器４３で加熱され、その後再生ゾーン232を通過して、第３デシカントロータ２３の再生ゾーン232で湿気を飛ばし、次段の第２デシカントロータ２２の再生ゾーン222に送風される。

この第２デシカントロータ２２では、その再生ゾーン222に凝縮器(加熱器)92及び第２再生器４２が配置され、この第２再生器４２の下流側での空気の到達露点は−３５.５１℃ＤＰ程度(１０００ＣＭＨ(m³／h)程度)であり、第２デシカントロータ２２の再生ゾーン222で湿気を飛ばし、最終の第１デシカントロータ２１の再生ゾーン212に送風される。
この第１デシカントロータ２１では、その再生ゾーン212に凝縮器(加熱器)91及び第１再生器４１が配置され、この第１再生器４１の下流側での空気の到達露点は−２０.２３℃ＤＰ程度(１０００ＣＭＨ(m³／h)程度)であり、さらに、第１デシカントロータ２１の再生ゾーン212で湿気を飛ばし、第２ファン５３によって、１０００ＣＭＨ(m³／h)程度が戸外に排気ＥＡされる。
なお、本実施例では第２ファン５３を再生ライン下流の最後の戸外放出点Ｃに配置したが、排気ＥＡを戸外に排出できるのであれば、分岐点Ｂから実施例の再生ラインの最後の戸外放出点Ｃとの間のどこに配置してもよい。

本発明の特徴の１つは、デシカントロータの再生ゾーンの再生器として再生空気温度８０℃以下の所謂低温再生乾式除湿器を用いて、超低露点（−５０℃ＤＰ）の乾燥空気を得るものである。
ここで、図１に、実施例での室内(Ｒ)が無負荷の状態で各ライン上の風量及び露点温度の実験値を示して説明するが、勿論、室内(Ｒ)に負荷がある場合の数値とは多少異なる。
本発明の上記の課題を達成するため構成上の特徴の１つは、少なくとも、大量の給気を室内で処理した後、大量の還気(室内の供給量の30〜70％)を循環させることであり、第２デシカントロータの上流に返還する空気量は１０００ＣＭＨ(m³／h)で、実に５０％程度を循環させている。
また、循環処理して給気した一部を直接再生ラインに戻しているが、この戻し率は、多ければそれだけ乾燥度合いが上がるが、室内の給気ＳＡの量が少なくなるので、実際には戻し量は７０％から３０％が限度であり、本実施例での戻し率は５０％である。
なお、本発明を実現するためには、少なくとも、次工程への処理空気以上の大量の還気を返還する必要があり、即ち、少なくとも３０％以上の返還量が必要であるが、余り多くすると室内への供給量が減るので７０％が上限である。

本実施例は、以上のような構成であるので、大量の給気の循環処理を行い、また、従来のパージゾーンを設けた高温再生型乾式除湿器と同等の超低露点（−５０℃ＤＰ）が実現可能となった。
これにより、デシカントロータの再生ゾーンの再生器として再生空気温度８０℃以下の所謂低温再生乾式除湿器を用いたので、通常のデシカント空調機の部品を使用でき、また、再生に他の施設の排熱を利用した温水が使用可能となる。
以上のような構成であるので、従来のパージゾーンを設けた高温再生型乾式除湿器と同等の超低露点（−５０℃ＤＰ）が実現可能となり、再生空気が８０℃以下で良いのでパージゾーンが必要でなくなることから、従来の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機と比べて、次のような利点がある。
(１)パージゾーンが不要であること。
(２)デシカントロータの再生器に低温再生乾式除湿器を用いることができること。
(３)ヒートポンプ回路の蒸発器と凝縮器とを組み込んだので、デシカント空調機の一部熱源負荷を受け持つことが出来、冷却器と再生器への中央熱源の負荷が軽減される。
(４)再生空気が８０℃以下となることから、従来のデシカントロータ空調機のパネル等の部材も使用可能となること。
(５)再生器には８０℃以下の温水でもいいので、他の施設の排熱を容易に再生器に利用が可能であり、蒸気源が不必要になること。
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の各実施例に限定されるものでないことは勿論である。

本発明の実施例の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機の概念とした系統図、 本発明の実施例の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機に組み込むヒートポンプ回路のブロック図、 従来例の超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機の系統図である。

１…デシカント空調機、
２１…第１デシカントロータ、211…処理ゾーン、212…再生ゾーン、
２２…第２デシカントロータ、221…処理ゾーン、222…再生ゾーン、
２３…第３デシカントロータ、231…処理ゾーン、232…再生ゾーン、
３１…第１冷却器、３２…第２冷却器、３３…第３冷却器、
４１…第１再生器、４２…第２再生器、４３…第３再生器、
５１・・第１ファン(送風機)、５３・・第２ファン(送風機)、
61,62,63,…ダンパ、
７１…フィルター、８１…給気通路、８２…返還通路
９１…第１凝縮器(加熱器)、９２…第２凝縮器(加熱器)、
９３…第３凝縮器(加熱器)、９４…蒸発器(冷却器)、
９５…圧縮器
Ａ…合流点、Ｂ…分岐点、Ｃ…戸外放出点、

Claims (1)

1. 処理ラインとして前段に第１冷却器を配置した第１デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第２冷却器を配置した第２デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第３冷却器を配置した第３デシカントロータの処理ゾーンとを直列に連通し、第１ファンを第１デシカントロータの処理ゾーン下流から室内側への供給と排気ラインとの分岐点の間に配置し、第１冷却器側から外気を吸い込み順次第２デシカントロータ及び第３デシカントロータの処理ゾーンで処理して超低露点の給気を室内側に供給し、室内からの還気を前記第１ファンの上流であって第２冷却器又は第３冷却器の上流に合流させて循環させるとともに、
   再生ラインとして前段に第３再生器を配置した第３デシカントロータの再生ゾーンと、前段に第２再生器を配置した第２デシカントロータの処理ゾーンと、前段に第１再生器を配置した第１デシカントロータの処理ゾーンとを直列に連通し、排気のための第２ファンを配置し、前記室内側に供給する前記給気の一部を第３デシカントロータの再生ゾーンに供給し、順次第２デシカントロータの再生ゾーン、第１デシカントロータの再生ゾーンを通過させるとともに、
   前記第２冷却器の下流に蒸発器を配置し、第１凝縮器は第１再生器の上流、第２凝縮器は第２再生器の上流、第３凝縮器は第３再生器の上流にそれぞれ配置して、これら凝縮器の出力を前記蒸発器に入力し、該蒸発器と第１乃至第３の凝縮器との間に圧縮器を介在させ、該蒸発器の出力を該圧縮器に入力し、該圧縮器の出力を前記凝縮器の入力とした循環するヒートポンプ回路を形成し、
   各デシカントロータの再生器は８０℃以下で加熱するとようにしたことを特徴とするパージゾーンのない超低露点温度の乾燥空気を供給するデシカント空調機。

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