JPH10281497A - 恒温恒湿空気供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決すべき課題】高精度の温度湿度制御が可能な恒温
恒湿空気供給装置を開示する。 【課題の解決手段】空気流路３０に、空気冷却器１と、
空気加熱器２と、水槽中にヒータ２３を内蔵する水蒸気
発生室３ａを備えた加湿器３と、送風機６とを配設して
成る恒温恒湿空気供給装置において、空気加熱器２から
送風機６に至る空気流路に、空気流路を絞ることにより
ノド部７を設け、該ノド部に、水蒸気発生室３ａに連通
する水蒸気供給管２４を開口せしめると共に、水蒸気発
生室３ａと、送風機６の吐出側流路６ｂ内とを、気流導
入管１０によって連通せしめたことを特徴とする恒温恒
湿空気供給装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の目的空間へ
所定の温度湿度条件を備えた空気を供給する装置に関す
るものであり、特に、温度湿度条件を高精度に維持でき
る恒温恒湿空気供給装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】半導体の製造工程において、例えば、シリ
コンウェーハにレジストをコーティングする工程におい
ては、ウェーハを取り囲む雰囲気の温度湿度条件の変動
は、直ちに、形成される被膜の厚さの不均一の原因とな
る。従って、このような工程では、極めて高精度の温湿
度制御が要求される。

【０００３】従来の恒温恒湿空気供給装置としては、例
えば、図３に示す装置が知られている。これは、箱状の
断熱壁によって囲まれた空気流路１１５の空気入口１１
６から空気出口１１７にかけて、空気冷却器１０１、電
熱ヒータから成る空気加熱器１０２、気流案内板１０５
によって、下方に誘導された気流に加湿する蒸発皿式加
湿器１０３、送風機１０７を、この順序に、収納するこ
とにより、構成されている。

【０００４】空気冷却器は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの
蒸発器や、ブラインなどが流れる冷却管に伝熱フィンプ
レートを設けたものや、ペルチェ素子を用いた熱電冷凍
機などを、冷却源とするものなどが、温湿度の要求精度
や熱負荷の大きさなどにに応じて、使い分けられてい
る。また、空気加熱器は、空気出口１１７に設けた温度
検出器１１０の検出信号に基づいて、供給空気の温度調
節を行う。加湿器１０３は、空気流路の底部に開口する
蒸発皿中に、ヒータ１０４と、水位を検出するレベルス
イッチ１１４を有し、ヒータ１０４は、空気加熱器と同
様に、空気出口１１７に設けた湿度検出器１１１の検出
信号を、制御器１１２に入力して、トライアックなどで
構成した電力調整器１１３によって、その作動が制御さ
れる。１０８は、給水管で、レベルスイッチ１１４が、
水位低下を検知すると、電磁弁１０９が開閉して、水位
を所定のレベルまで回復させる。

【０００５】このような空気供給装置においては、空気
冷却器によって、流入空気を、目標温度湿度条件を持つ
空気の露点より、十分低い温度まで一旦冷却除湿し、次
いで、空気加熱器１０２において、目標温度までに上昇
させる。かくして、案内板１０５によって、加湿器１０
３の上方を通過する空気は、目標湿度より低い湿度とな
っており、この空気が、加湿器１０３から発生する水蒸
気を取り込んで空気出口１１７に至る間に、水蒸気を均
一に混合分散して目的空間に供給するように構成されて
いる。

【０００６】一般に、加湿皿方式の加湿器の加湿量は、
通過空気の水蒸気圧と加湿皿水面直近の水蒸気圧との差
圧と、水面の面積と、風速との相乗積に比例する。従っ
て、加湿器を通過する空気は、通過する際における、加
湿器との距離や、流速によって、加湿量は大幅に異なっ
てくるが、これらの空気は、気流案内板１０６により、
蛇行して送風機に入り、空気出口から、出て行く間に、
均一に混合され分散されて、所望の温湿度条件を備える
ように意図されている。

【０００７】しかしながら、加湿器から供給口までの距
離を、装置の小型化の要請等から、十分にとることは、
自ずから限界があり、短い距離を僅かな時間で通過する
ため、水蒸気が気流中に均一に混合分散することは困難
であることや、更に、空気の供給量の変化等により、気
流の速度が変化したり、温度検出器の信号に対する加湿
器の応答遅れが避けられないこと等により、前述のよう
な半導体製造工程で、感度の高い湿度センサーを用いて
高精度の湿度制御を行う必要がある場合、湿度検出器１
１１の検出値は、これらの要因から細かな乱高下が免れ
ず、それによって、制御が乱れてしまい、要求される高
精度が得られなかった。

【０００８】

【解決すべき課題】本発明の目的は、高精度の温度湿度
制御が可能な恒温恒湿空気供給装置を開示することにあ
る。

【０００９】

【課題の解決手段】本発明の第一の要旨は、空気流路
に、空気冷却器と、空気加熱器と、水槽中にヒータを内
蔵せしめて成る水蒸気発生室を備えた加湿器と、及び、
送風機とを、前記空気流路の空気入口から空気供給口へ
向かって、この順序に配設して成る恒温恒湿空気供給装
置において、前記空気加熱器から前記送風機に至る空気
流路に、該空気流路を絞ることによりノド部を設け、該
ノド部若しくはその付近に、前記水蒸気発生室に気密に
連通する水蒸気供給管を開口せしめると共に、前記水蒸
気発生室と、空気流路内の前記ノド部若しくはその近傍
より気圧の高い場所とを、気流導入管によって連通せし
めたことを特徴とする恒温恒湿空気供給装置にある。

【００１０】上記装置は、流路が狭隘化しているノド部
若しくはその近接域において、水蒸気供給管から水蒸気
が供給されるので、空気流と水蒸気流との混合、分散が
理想的に行われ、長い流程を要せず、均一に混合分散し
て、均一な湿度の空気が得られる。又、ノド部において
は、流路が絞られているので、空気の圧力エネルギは、
流速エネルギに変化して、空気流路内では、最も低い圧
力を示す場所となっている。一方、気、液密の水槽から
成る水蒸気発生室内と、前記ノド部若しくはその近傍以
外の任意の場所との間を、気流導入管によって連通せし
めてあるので、気流は、気圧差と気流導入管の管径（或
いは、気流導入管に介設した絞り弁）等によって定まる
一定量が、水蒸気発生室内に導入され、それにつれて、
水蒸気は、水蒸気発生室内に滞ることなく、水蒸気供給
管の供給口から、連続的にノド部に供給される。かくし
て、供給空気中の湿度の極端な増減が阻止され、滑らか
で、極めて精度の高い湿度制御が実現する。

【００１１】本発明の第二の要旨は、上記第一要旨に規
定された恒温恒湿空気供給装置において、気流導入管
が、水蒸気発生室と送風機の吐出側流路との間を連通し
ていることを特徴とする恒温恒湿空気供給装置にある。

【００１２】気流導入管の加湿器側と反対側の一端の開
口位置により、水蒸気供給管の供給口と空気導入管の空
気流入口との間の差圧は異なる。送風機の吐出側流路
は、空気流路中最も気流の圧力が高い場所であり、第二
要旨にかかる空気供給装置は、この最も高い場所と、送
風機吸入口付近を除いて最も低いノド部とが、気流導入
管を介して連通することになるため、加湿器への導入空
気量が、供給空気負荷の変動等の他の要因による影響が
ほとんど無く、一定で、したがって、より湿度制御も安
定し、最も高い精度で、湿度制御を行うことができる。

【００１３】

【発明の実施形態】図１は、本発明の一実施態様を、概
念的に示すものである。断熱壁によって囲まれた角筒状
の空気流路３０の一側開口に、熱電変換素子を冷却源と
する空気冷却器１が着脱自在に取り付けられており、該
空気冷却器１の空気出口側に、電熱ヒータから成る空気
加熱器２が設けられている。

【００１４】空気冷却器１は、図２に示すように、アル
ミニウム、銅、これらの合金類等のように、熱良導性素
材の厚板から成る伝熱板１ａによって囲まれた空気流路
１ｃを横断して、多数の伝熱フィン１ｂ、１ｂ、…を設
け、伝熱板１ａの外面には、熱電変換素子２２、２２、
…の一側を接触し、該熱電変換素子の他側には、冷却水
の蛇行流路が形成されている熱交換器から成る放熱器１
１、１１が接触している。熱電変換素子２２、２２、…
は、制御器２０によって、制御される。該制御器は、空
気冷却器の空気出口に設置された温度検出器１７の信号
と、空気冷却器１の目標温度を設定する温度設定器２１
の設定値とを比較して、その偏差信号を、直流電力調整
器１６に出力する。設定値は、供給空気の温度湿度条件
を持つ空気の露点より低い、所定の温度が設定される。

【００１５】空気加熱器２から空気流路の末端に装着さ
れた送風機６に至る空気流路には、空気流路３０の底面
３３から該空気流路の半ば付近に達するように、立ち上
げて設けた気流案内板５と、空気流路の天井面３４から
風下側に向かって傾斜させて垂設した、ノド部形成板４
とが、設けられて、気流を上下に蛇行するように案内し
ている。

【００１６】ノド部形成板４は、床面３３との間隔を急
激に狭めるべく、急傾斜で床面付近に下降し、その末端
は、床面のやや上方で反転して、ノド部７を形成し、次
いで、空気流路末端に装着した送風機６の吸入口６ａが
開口する広い空間３０ａに気流を解放している。送風機
６は、吸入口６ａから吸引した空気を、空気供給口３２
を兼ねた吐出側流路６ｂに送出する。１８及び１９は、
夫々、供給空気の温度と湿度とを検出する温、湿度検出
器で、その検出信号は、制御器４１、４２において、目
標とする温、湿度設定器４３、４４の設定値と比較さ
れ、偏差補正信号が、夫々の供給電力調整器４５、４６
に入力して、加湿器３のヒータ２３の作動を制御する。

【００１７】加湿器３は、密閉水槽から成る水蒸気発生
室３ａ中に、水加熱用電熱ヒータ２３と水位検出器とし
てのレベルスイッチ８とを内蔵すると共に、底部付近に
は、水補給管９ａが連結しており、レベルスイッチの検
出信号により、水補給管９ａに介設した電磁バルブ９
が、開閉して、所定の水位を保持する。水蒸気発生室３
ａの天井部には、該発生室３ａの上部空間から成る水蒸
気溜まり２６を前記ノド部７に連通して加湿するための
水蒸気供給管２４が、その下端において開口しており、
該水蒸気供給管２４の他端は、空気流路内に入り、ノド
部７の中央部付近に開口して、加湿口２４ａをなしてい
る。このような水蒸気発生室３ａの上部空間の水蒸気溜
まり２６と、送風機６の吐出側流路６ｂとが、実験的に
定められる適宜な内径を持つ気流導入管１０によって連
通されている。３６は、空気冷却器１により発生するド
レンの排出口である。

【００１８】

【作用】上記装置は、空気入口３１に入った空気が、空
気冷却器１で、目標供給空気条件の露点より低い温度に
冷却され、次いで、加熱器２において、目標温度に加熱
される。加熱器を通過した空気は、ノド部７に至る過程
で、急速に速度が増すと共に、圧力が低下する（従って
相対湿度も低下する）。ノド部を通過した空気は、送風
機に吸入され加圧撹拌されて、吐出側流路６ｂに押し出
される。水蒸気発生室の水蒸気溜まりには、圧力の高い
吐出側流路６ｂから、気流導入管１０を通して、加湿口
２４ａと吐出側流路６ｂとの差圧に見合った、一定量の
空気が、絶えず流入するので、水蒸気溜まり２６に生成
した水蒸気は、この気流によって押し出される状態で、
ノド部を通過する空気に、ヒータ２３の作動により発生
する水蒸気発生量に見合った水蒸気を、絶えず供給す
る。

【００１９】

【効果】上記装置は、不足分の水蒸気供給が、最も狭い
通路において、連続的に、且つ、滑らかに行われると共
に、流速の早い気流が、送風機吸入口が開口する、圧力
が低く且つ広い空間に、その一端付近から吹き込まれて
旋回状態となるので、気流中への水蒸気の分散、混合、
均一化が確実に行われ、湿度検出器における検出値の乱
高下が、殆ど発生することがなく、極めて高い精度で調
温調湿された空気を、供給することができる。

【００２０】上記実施態様においては、気流導入管１０
は、実験的に定めた一定管径のものを例示したが、これ
は、気流導入管に、絞り弁、オリフィス、或いは、細管
等の流量調節手段を取り付けて、導入気流量を調節でき
るようにしてもよい。又、気流導入管の気流導入部は、
ノド部より風上側の、例えば、空気加熱器２の前後付近
であってもよい。要は、加湿口との間に、十分な差圧が
確保できればよい。勿論、空気冷却器は、他のフロン冷
媒を用いた冷媒圧縮式冷凍機でもよいし、ブライン循環
式の冷却機でもよい。加湿口は、流路が最も狭く且つ気
流の流速がはやいノド部に開口するのが、水蒸気の気流
中への均一分散効果の点で、最も効果的であるが、勿
論、その前後付近に開口しても、有効である。ノド部の
流速は、空気流路の他の場所（例えば空気加熱器付近）
における流速の３〜８倍の範囲で選択されるのが、好ま
しい。

【００２１】本願発明者の実験によれば、図１のタイプ
の熱電変換素子を冷却源に用いた装置において、空気加
熱器付近の流速が１.５ｍ／秒、ノド部の流速が１０ｍ
／秒で、目標供給空気の温湿度条件が、２３℃、４５％
ＲＨのとき、冷却源を等しくした従来装置では、静電容
量式湿度検出器の検出値は、±１％ＲＨの範囲で、平均
１分間に十数回の乱高下を記録したが、本願装置の場合
は、±０.１％ＲＨ程度の範囲で、１分間に数回のなだ
らかな凹凸が出現するのみで、実質的に一定の湿度制御
を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を概念的に示す説明図であ
る。

【図２】図１の空気冷却器を空気流入方向から見た説明
図である。

【図３】従来技術の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 空気冷却器 ２ 空気加熱器 ３ 加湿器 ３ａ 水蒸気発生室 ４ ノド部形成板 ６ 送風機 ６ｂ 吐出側流路 ７ ノド部 ８ レベルスイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気流路に、空気冷却器と、空気加熱器
   と、密閉水槽中にヒータを内蔵せしめて成る水蒸気発生
   室を備えた加湿器と、及び、送風機とを、前記空気流路
   の空気入口から空気供給口へ向かって、この順序に配設
   して成る恒温恒湿空気供給装置において、前記空気加熱
   器から前記送風機に至る空気流路に、該空気流路を絞る
   ことによりノド部を設け、該ノド部若しくはその付近
   に、前記水蒸気発生室に気密に連通する水蒸気供給管を
   開口せしめると共に、前記水蒸気発生室と、空気流路内
   の前記ノド部若しくはその近傍より気圧の高い場所と
   を、気流導入管によって連通せしめたことを特徴とする
   恒温恒湿空気供給装置。
2. 【請求項２】気流導入管が、水蒸気発生室と送風機の吐
   出側流路との間を連通している請求項１の恒温恒湿空気
   供給装置。