JP7092362B2

JP7092362B2 - 温湿度調整装置

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Publication number: JP7092362B2
Application number: JP2019131923A
Authority: JP
Inventors: 孝典田中; 明清水; 保定樋口
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: JP2021017994A

Description

本発明は温湿度調整装置に関する。

通常、半導体装置の製造工程等の精密加工分野では、その製造装置の殆どが温度及び湿度が制御されたクリーンルーム内に設置されている。そして、このような空間ユニット内の温度及び湿度を精密に調整するための温湿度調整装置が開発されている。
湿度の調整は、加湿水槽内に貯留させた蒸留水を蒸発させ、蒸発によって生成された水蒸気を調整対象空気に付加することによって、加湿を実行することができる。

また、加湿機能を設けた温湿度調整装置においてはドレン水が生じるが、例えば特許文献１（特開２００８－２１５６３４号公報）のような空気調和機では、発生したドレン水を不純物を除去した後に加湿水槽内に供給し、加湿水槽内に貯留された貯留水を加熱して蒸発させている。

特開２００８－２１５６３４号公報

従来のように、加湿水槽に貯留された貯留水を加熱し、水蒸気を発生させて加湿するような温湿度調整装置によれば、貯留水に溶存しているカルシウム等のミネラル（以下、溶存物質と称することもある）が加湿槽内のヒータに固着してしまう。このようなヒータへの溶存物質の固着により、ヒータが破損して漏電してしまう等のおそれがある。
この点、上記の特許文献１のような空気調和機においては、ドレン水を加湿水槽に導入しつつも外部からの水を加湿水槽に導入しているが、ドレン水及び外部からの水を、加湿水槽へ導入する前に不純物除去手段を通し、不純物を除去してから加湿水槽に導入するようにしている。

しかし、従来の温湿度調整装置や空気調和機においては、加湿水槽へ給水する水温が低い場合が考えられる。加湿水槽へ給水する際に水温が低いと、加湿水槽内に設けられているヒータの熱損が大きくなりヒータを加熱する電気コストが高くなってしまうという課題がある。また加湿水槽内の水温が急激に変化するため調整対象空気の温湿度制御が難しくなるという課題もある。

さらに、加湿水槽で加熱された水を、不純物除去手段のような浄化装置を通して循環させて用いる場合は、水を加湿水槽と浄化装置との間で循環させる循環回路と、水を循環させるポンプとが必要となる。
加湿水槽から出た水をポンプ及び浄化装置に導入する際、加湿水槽で加熱された高温の水がそのままポンプ及び浄化装置に導入されてしまうと、ポンプ及び浄化装置の性能を低下させる恐れがあるという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされその目的とするところは、加湿水槽内に導入される水の温度を上げてから供給することができ、加湿水槽から出た水がポンプ及び浄化装置に供給される水の温度を下げてから供給することができる温湿度調整装置を提供することにある。

本発明にかかる温湿度調整装置によれば、送出する空気の温度調整をするための加熱器及び冷却器と、水が貯留される加湿水槽と、前記加湿水槽に貯留された水を加熱して蒸気を生じさせるヒータと、該加湿水槽内の水の不純物を除去する浄化装置と、前記加湿水槽内の水を前記浄化装置へ流通させ、前記浄化装置を通過した水を前記加湿水槽へ戻すように流通させる流通管路と、該流通管路の中途部に設けられたポンプと、前記流通管路に設けられ、前記加湿水槽から出た水と前記加湿水槽へ流入させる水との間で熱交換する第１熱交換器と、を具備し、前記加熱器及び前記冷却器は、圧縮機を備えて冷媒が流通する冷凍サイクル回路の一部において制御空気側熱交換器として設けられ、前記冷凍サイクル回路は、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が、前記加熱器と、吸放熱側熱交換器を構成する放熱器と、に分岐して供給され、前記加熱器に供給されて冷却された冷媒は、キャピラリーチューブを介して減圧した状態で吸放熱側熱交換器を構成する吸熱器に供給され、前記放熱器に供給されて冷却された冷媒は、膨張弁を介して減圧した状態で前記冷却器に供給され、前記冷却器に供給されて加熱された冷媒、及び前記吸熱器に供給されて加熱された冷媒は、合流して前記圧縮機に供給されるように構成され、前記加湿水槽から出て前記第１熱交換器を通過した水をさらに冷却するための前記流通管路の第３熱交換器を、前記吸放熱側熱交換器の前記吸熱器近傍又は前記吸放熱側熱交換器の風下側に設けたことを特徴としている。
この構成を採用することによって、加湿水槽内の水をポンプによって浄化装置を通すように流通管路によって循環させることができるため水に溶存している不純物を除去することができる。加湿水槽内に供給される水の不純物を除去することによって、調整後の空気を汚損させないようにでき、且つ不純物が加湿水槽内のヒータに固着しないため、ヒータの破損を防止できる。
そして、加湿水槽内から出てポンプ及び浄化装置に流通する水の温度を第１熱交換器によって下げることができるのでポンプ及び浄化装置に高温の水が導入することによるポンプや浄化装置の故障や性能低下を防ぐことができる。また、浄化装置から加湿水槽内に供給される水の温度を第１熱交換器によって上げることができるので、加湿水槽内に冷えた水が供給されることがなくなる。これによってヒータの熱損を低減しヒータの加熱コストを上昇させないようにすることができる。そして、加湿水槽内に急に冷たい水が供給されると調整対象空気の温湿度制御が困難になる場合があるが、温度を上げてから加湿水槽内に供給することで加湿水槽内の水温の変動を抑え、調整対象空気の温湿度制御を確実に行うことができる。
また、この構成によれば、いわゆるリヒートタイプの冷凍サイクル回路を備えた温湿度調整装置においては、第１熱交換器によって冷却された水をポンプ及び浄化装置に供給する前にさらに第３熱交換器によって冷却することができる。このため、ポンプ及び浄化装置に高温の水が導入することによるポンプや浄化装置の故障や性能低下をさらに確実に防ぐことができる。

また、前記流通管路のうち前記第１熱交換器から前記加湿水槽へ水を導入する導入部は、前記加湿水槽の内部で少なくとも１回折り返されて第２熱交換器として形成されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば加湿水槽内に供給される水と加湿水槽内の水を熱交換してから、加湿水槽内に水を供給するので、なるべく温度差が無い状態で加湿水槽内に水を供給することができる。

また、前記流通管路には、ドレンを貯留するドレンタンクが接続されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、ドレンを加湿用に再利用するためドレンの排出量を抑えることができる。

また、前記冷却器の下方にはドレンを受ける第１ドレンパンが設けられ、第１ドレンパンの風上側にはドレンに対して風が当たらないようにする第１防風板が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、第１ドレンパンに落下するドレンに対してなるべく空気が触れないようにし、ドレンへ雑菌や不純物が混入してしまうことを防止できる。

また、前記吸熱器の下方にはドレンを受ける第２ドレンパンが設けられ、第２ドレンパンの風上側にはドレンに対して風が当たらないようにする第２防風板が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、第２ドレンパンに落下するドレンに対してなるべく空気が触れないようにし、ドレンへ雑菌や不純物が混入してしまうことを防止できる。

本発明にかかる温湿度調整装置によれば、加湿水槽内に導入される水の温度を上げてから供給することができるので、ヒータの熱損を低減しヒータの加熱コストを上昇させないようにすることができ、且つ加湿水槽内の水温の変動を抑え、調整対象空気の温湿度制御を確実に行うことができる。
また、加湿水槽から出た水のうちポンプ及び浄化装置に供給される水の温度を下げてから供給することができるので、ポンプや浄化装置の故障や性能低下を防ぐことができる。

温湿度調整装置の概略構成を示す概略構成図である。温湿度調整装置の配管系統図である。

温湿度調整装置の概略構成について図１に基づいて説明する。
本実施形態における温湿度調整装置２０は、例えばクリーンルーム等の内部に設置されてクリーンルーム内の温度及び湿度を精密に調整可能な温湿度調整装置である。
温湿度調整装置２０は、温度及び湿度を調整した空気（以下、制御空気と称する場合がある）を送出するために制御空気を温度調整する冷凍サイクル回路を備えている。具体的には冷凍サイクル回路は、制御空気側熱交換器２２と吸放熱側熱交換器４４を備え、制御空気側熱交換器２２を流通する制御空気を精密温度調整している。制御空気側熱交換器２２の下流側にはファン３１が設けられており、制御空気をクリーンルーム等に送風する。

制御空気側熱交換器２２は、加熱器２４と冷却器２６とを有している。
本実施形態の制御空気側熱交換器２２は、制御空気の送風方向の上流側に冷却器２６が配置され、送風方向の下流側に加熱器２４が配置されている。
そして、加熱器２４よりも送風方向の下流側には、加熱器２４から出た空気を加湿するための加湿水槽２８が設けられている。

加湿水槽２８内にはヒータ３０が配置され、ヒータ３０は加湿水槽２８内に貯留されている水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気が制御空気に与えられて制御空気を加湿する。ヒータ３０としては、例えば投げ込み型のシーズヒータを採用することができる。シーズヒータは、金属パイプ内に、ニクロム線等の発熱線と、発熱線と金属パイプとの絶縁のための絶縁粉末が封入されて構成されている。このような構成のヒータ３０の金属パイプの外表面に、貯留水に溶存しているカルシウム等の溶存物質が固着してしまうと、ヒータ３０の金属パイプが破損して漏電してしまう等のおそれがある。
また加湿水槽２８には、液位管３２が設けられており加湿水槽２８内の水が一定の水位になった場合に、加湿水槽２８内の水を排水するように動作する。このとき、液位管３２は加湿水槽２８底部の水を排水するようにする。排水された水は流通管路３４を通って浄化装置３６に供給され、浄化された水が加湿水槽２８に戻るように循環する流通管路３４が設けられている。

流通管路３４の水の流入口は、加湿水槽２８の液位管３２に接続されている。
加湿水槽２８を出てからすぐの流通管路３４には、第１熱交換器４０が設けられている。第１熱交換器４０の機能は、加湿水槽２８内の加熱された水と、浄化装置３６から加湿水槽２８内に供給される水との間で熱交換することで、加湿水槽２８を出た水を冷却し、加湿水槽２８に供給される水を加熱することにある。第１熱交換器４０の構成としては、プレート式、二重管式、多管式などの構成を採用することができる。
このため、加湿水槽２８内から後述するポンプ５６及び浄化装置３６へ供給される水が冷却されるので、ポンプ５６及び浄化装置３６に高温の水が導入することによるポンプ５６や浄化装置３６の故障や性能低下を防ぐことができる。

また、浄化装置３６から加湿水槽２８内に供給される水を第１熱交換器４０によって加熱できるので、加湿水槽２８内に冷えた水が供給されることがなく、ヒータ３０の熱損を低減しヒータ３０の加熱コストを上昇させないようにすることができる。また、加湿水槽２８内に温度差の大きい冷たい水が供給されないため、加湿水槽２８内のヒータ３０による温度制御を確実に行うことができる。

第１熱交換器４０の下流側（加湿水槽２８を出た水の流通方向下流側）には、第３熱交換器４２が設けられている。第３熱交換器４２は、吸放熱側熱交換器４４の送風方向下流側に配置されている。第３熱交換器４２の構成としては、フィンチューブ式などの構成を採用することができる。

吸放熱側熱交換器４４は、放熱器４６と吸熱器４８とを有しており、冷凍サイクル回路におけるいわゆるリヒート回路を構成している。
吸放熱側熱交換器４４は、ファン４７によって送風された空気が通過することによって、送風方向上流側に配置された放熱器４６においては放熱器４６を流通する冷媒が放熱し、送風方向下流側に配置された吸熱器４８を流通する冷媒が吸熱する。
第３熱交換器４２は、吸熱器４８の下流側に配置されており、吸熱器４８で吸熱された空気と第３熱交換器４２内の流通管路３４内の水とを熱交換し、流通管路３４内の水をさらに冷却する機能を有している。
この第３熱交換器４２により、ポンプ５６及び浄化装置３６にさらに冷却された水を供給でき、ポンプ５６及び浄化装置３６に高温の水が導入することによるポンプ５６や浄化装置３６の故障や性能低下をさらに確実に防ぐことができる。

流通管路３４の第３熱交換器４２の下流側には、ドレンタンク４９が設けられている。
ドレンタンク４９には、制御空気側熱交換器２２の下部に配置された第１ドレンパン５０及び吸放熱側熱交換器４４の下部に配置された第２ドレンパン５１からのドレンが流通するドレン管５２が接続されている。
さらにドレンタンク４９には、加湿水槽２８内の水量が減少した場合に、外部から水を供給するための外部給水管５４が接続されている。外部給水管５４にはバルブ５５（図２参照）が設けられており、加湿水槽２８内の水が減少したときのみバルブ５５を開けて外部からの水を給水できるようにしている。

ドレンタンク４９の下部には浄化装置３６に向かう流通管路３４が接続され、この流通管路３４におけるドレンタンク４９と浄化装置３６との間には、ポンプ５６と、逆止弁５８が設けられている。ポンプ５６が駆動することによって流通管路３４内の水が循環する。また、逆止弁５８によって、水がポンプ５６の吐出側に逆流しないように設けられている。

なお、ドレンタンク４９の下部における流通管路３４（ポンプ５６よりも上流側）においては、外部へ水を排水するための排水管６０が分岐しており、排水管６０にはバルブ６２が設けられている。加湿水槽２８内の水が増えすぎた場合には、バルブ６２を開け、流通管路３４内の水を排水管６０から排水するためである。

浄化装置３６によって溶存物質が除去された水は、流通管路３４を通して第１熱交換器４０に接続される。
なお、第１熱交換器４０と浄化装置３６との間には、流通管路３４内を流通する水の伝導率を測定する伝導率センサ６６と温度センサ６８が設けられている。
伝導率センサ６６はポンプ５６の駆動を制御する制御部（図示せず）に接続されている。これは、ポンプ５６を間欠運転する場合において、伝導率センサ６６が測定した伝導率に基づいて水の不純物が増加したと制御部が判断した場合にのみ、制御部がポンプ５６を駆動し、水を循環させるようにすることができる。また、加湿水槽２８内に液面スイッチ（図示せず）を設け、加湿水槽内の水位が所定水位まで下がったことを液面スイッチが検出した場合にのみ制御部がポンプ５６を駆動し、水を循環させるようにしてもよい。なお、上述したように、加湿水槽２８内の水量が減少した場合には、外部給水管５４からバルブ５５を介してドレンタンク４９に外部からの水が導入される。そして、ポンプ５６が駆動することによって、ドレンタンク４９に外部から導入された水が浄化装置３６へ導入されて、浄化された水として加湿水槽３６へ供給される。

第１熱交換器４０を通過して加熱された水は、加湿水槽２８へ導入部７０を通って供給される。
導入部７０は、加湿水槽２８内に全体及び開口端部７２が完全に水没されるように配置された管であり、加湿水槽２８の内部で少なくとも１回折り返され、開口端部７２がヒータ３０を向かないように配置されている。開口端部７２がヒータ３０を向かないように配置されるため、加湿水槽２８内の水よりも低温の水がヒータ３０に直接当接しないようにして、温度制御が確実に行えるようにしている。
そして、この導入部７０が少なくとも１回折り返されていることにより、加湿水槽２８に供給される水が、加湿水槽２８内の水と熱交換されて加熱されてから加湿水槽２８内に供給される。このため、導入部７０は、第２熱交換器として構成される。

また、第１ドレンパン５０には、制御空気側熱交換器２２から落下するドレンに制御空気が直接当たらないように第１防風板７４が設けられている。これにより、ドレンに少しでも制御空気が当たらないようにしてドレンに異物や雑菌等が混入しないようにできる。
第１ドレンパン５０には、ドレンを落下させるドレン穴７５が形成されており、ドレン穴７５から下方の第２ドレンパン５１にドレンが落下する。なお、ドレン穴７５から第２ドレンパン５１に向けてドレン管（図示せず）を配置し、ドレン管内をドレンが落下するようにしてもよい。

同様に、第２ドレンパン５１には、吸放熱側熱交換器４４から落下するドレン、及び第１ドレンパン５０から落下するドレンに空気が直接当たらないように第２防風板７６が設けられている。これにより、ドレンに少しでも吸放熱側熱交換器４４の流通空気（制御空気側熱交換器２２の制御空気よりも汚損されている可能性が高い）が当たらないようにしてドレンに異物や雑菌等が混入しないようにできる。
第２ドレンパン５１にはドレンをドレンタンク４９に供給するドレン管５２が設けられている。
なお、第１ドレンパン５０のドレン穴７５の位置は、吸放熱側熱交換器４４の放熱器４６と吸熱器４８の間に配置され、第１ドレンパン５０から落下するドレンは放熱器４６と吸熱器４８の間を通って第２ドレンパン５１に落下するようにするとよい。

次に、図２に基づいて、本実施形態の温湿度調整装置２０の冷凍サイクル回路について説明する。
冷凍サイクル回路は、圧縮機８０と、制御空気側熱交換器２２と、吸放熱側熱交換器４４とを備えている。圧縮機８０によって圧縮された冷媒は、２つの制御弁８２、８４によって流量調整されて分岐し、一方の冷媒は加熱用管路８５を通って制御空気側熱交換器２２の加熱器２４に流入し、他方の冷媒は吸放熱側熱交換器４４の放熱器４６に流入する。
制御弁８２，８４は、温度センサ（図示せず）によって計測される吐出される制御空気の温度に基づいて、制御空気が設定温度となるように、圧縮機８０から吐出された冷媒を加熱器２４への分配量と放熱器４６への分配量を調整する。

圧縮機８０で圧縮された冷媒の制御弁８４により分岐した一方は、加熱用管路８５から加熱器２４に供給され、加熱器２４によって制御空気と熱交換して冷却される。加熱器２４を通して冷却された冷媒は、キャピラリーチューブ８８を設けたリヒート管路８６を通って圧力低下した後に吸放熱側熱交換器４４の吸熱器４８に流入する。
吸熱器４８によって吸熱して加熱された冷媒は戻り管路９０を通って圧縮機８０に戻る。

２つの制御弁８２、８４によって流量調整されて制御弁８２により分岐した他方の冷媒は、放熱用管路９２を通って吸放熱側熱交換器４４の放熱器４６に流入する。放熱器４６によって放熱して冷却された冷媒は、膨張弁９４が設けられた冷却管路９６を通り、膨張弁９４によって圧力低下した後に制御空気側熱交換器２２の冷却器２６に流入する。
冷却器２６によって制御空気と熱交換して加熱された冷媒は戻り管路９０を通って圧縮機８０に戻る。

また、図２には、第１ドレンパン５０からのドレンをドレン管５２を通じてドレンタンク４９へ導入するようにした構成を図示したが、図１に示したように第２ドレンパン５１へ落下させて第２ドレンパン５１からドレン管５２を通してドレンタンク４９へ導入するようにしてもよい。

なお、上述した実施形態では、リヒートタイプの冷凍サイクル回路を有する温湿度調整装置について説明したが、リヒートタイプに限定するものではない。すなわち、リヒート用の吸熱器４８が設けられていない場合には第３熱交換器を設けない構成であってもよい。

２０温湿度調整装置
２２制御空気側熱交換器
２４加熱器
２６冷却器
２８加湿水槽
３０ヒータ
３１ファン
３２液位管
３４流通管路
３６浄化装置
４０第１熱交換器
４２第３熱交換器
４４吸放熱側熱交換器
４６放熱器
４７ファン
４８吸熱器
４９ドレンタンク
５０第１ドレンパン
５１第２ドレンパン
５２ドレン管
５４外部給水管
５５バルブ
５６ポンプ
５８逆止弁
６０排水管
６２バルブ
６６伝導率センサ
６８温度センサ
７０導入部
７２開口端部
７４第１防風板
７５ドレン穴
７６第２防風板
８０圧縮機
８２，８４制御弁
８５加熱用管路
８６リヒート管路
８８キャピラリーチューブ
９０戻り管路
９２放熱用管路
９４膨張弁
９６冷却管路

Claims

送出する空気の温度調整をするための加熱器及び冷却器と、
水が貯留される加湿水槽と、
前記加湿水槽に貯留された水を加熱して蒸気を生じさせるヒータと、
該加湿水槽内の水の不純物を除去する浄化装置と、
前記加湿水槽内の水を前記浄化装置へ流通させ、前記浄化装置を通過した水を前記加湿水槽へ戻すように流通させる流通管路と、
該流通管路の中途部に設けられたポンプと、
前記流通管路に設けられ、前記加湿水槽から出た水と前記加湿水槽へ流入させる水との間で熱交換する第１熱交換器と、を具備し、
前記加熱器及び前記冷却器は、圧縮機を備えて冷媒が流通する冷凍サイクル回路の一部において制御空気側熱交換器として設けられ、
前記冷凍サイクル回路は、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒が、前記加熱器と、吸放熱側熱交換器を構成する放熱器と、に分岐して供給され、
前記加熱器に供給されて冷却された冷媒は、キャピラリーチューブを介して減圧した状態で吸放熱側熱交換器を構成する吸熱器に供給され、
前記放熱器に供給されて冷却された冷媒は、膨張弁を介して減圧した状態で前記冷却器に供給され、
前記冷却器に供給されて加熱された冷媒、及び前記吸熱器に供給されて加熱された冷媒は、合流して前記圧縮機に供給されるように構成され、
前記加湿水槽から出て前記第１熱交換器を通過した水をさらに冷却するための前記流通管路の第３熱交換器を、前記吸放熱側熱交換器の前記吸熱器近傍又は前記吸放熱側熱交換器の風下側に設けたことを特徴とする温湿度調整装置。
前記流通管路のうち前記第１熱交換器から前記加湿水槽へ水を導入する導入部は、
前記加湿水槽の内部で少なくとも１回折り返されて第２熱交換器として形成されていることを特徴とする請求項１記載の温湿度調整装置。
前記流通管路には、ドレンを貯留するドレンタンクが接続されていることを特徴とする請求項１～２のうちのいずれか１項記載の温湿度調整装置。
前記冷却器の下方にはドレンを受ける第１ドレンパンが設けられ、第１ドレンパンの風上側にはドレンに対して風が当たらないようにする第１防風板が設けられていることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１項記載の温湿度調整装置。
前記吸熱器の下方にはドレンを受ける第２ドレンパンが設けられ、第２ドレンパンの風上側にはドレンに対して風が当たらないようにする第２防風板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の温湿度調整装置。