JP2008175493A - 空気温度制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な空気温度変動、および大きな処理熱量の変化にも対応できる冷却コイルを用いた空気温度制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】冷水が循環し、循環ポンプ１４、熱交換器１５、ヒータ１７、および冷却コイル１２を有する冷水循環部Ａと、前記熱交換器１５で熱交換するための冷却水を製造、供給する冷却水製造部Ｃと、ヒータ１７の出力および冷却水の供給量を制御するヒータ制御部Ｂと、を備える空気温度制御装置１において、冷水は、ヒータ制御部Ｂで算出されたヒータ出力値２８の周期の短い信号に基づいてヒータ１７により温度制御され、周期の長い信号に基づいて熱交換器１５により温度制御されることを特徴とする空気温度制御装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気温度制御装置および制御方法に係り、特に、レーザー測長器や原子間力顕微鏡などが設置されている部屋など高度な温度管理が必要な設置環境用空調設備に用いられる空気温度制御装置および制御方法に関する。

半導体製造装置や、磁気ディスク、光ディスクなどの情報関連機器、超精密切削加工装置などは近年著しく進歩している。この分野では、超精密位置決め技術が装置全体の性能を決めるキーテクノロジーとなっている。位置決めの精度は±０．０４μｍの範囲内であることが要求されており、レーザー測長器の性能によって決まってくる。

しかし、このレーザー測長器を大気中で使用する場合、空気の屈折率が変化すると、測定誤差が発生する。空気の屈折率は温度、気圧、湿度などによって変化するが、特に、温度、気圧が大きな要因となっている。そして、測定精度の高いレーザー測定器を使っても、温度が０．０４℃異なることで、約１２ｎｍの測定誤差が生じる（非特許文献１参照）。したがって、測定誤差を小さくするため、温度変化の小さい測定室で測定を行う必要があり、これに対応できる空調設備が求められている。

このような空調設備として、例えば、図３に示すような冷却コイル１０２を用いた空気温度制御装置１００を挙げることができる。空気温度制御装置１００においては、ダクト１０１を通過し、冷却コイル１０２出口の空気温度を調節するために、空気温度センサー１０３にて測定した空気温度現在値１１１、および空気温度目標値１１２からＰＩＤ演算器１１３によりバルブ開度１２０を算出する。そして、モータバルブ１１０で冷却コイル１０２への冷水流量を調節することにより、空気温度を調節している（非特許文献２参照）。また、冷却コイル入口の空気温度や冷却コイルに送られる冷水の流量に変化がなくても、冷水の温度が変動すると冷却コイル出口での空気温度が変動するため、冷水温度をヒータで制御する方法が開示されている（特許文献１参照）。
光学 第２２巻第６号（１９９３年６月）ｐ．３２９-３３４ 精密位置決め用変位センサーの現状と問題点（赤津） 改定４版 空気調和ハンドブック 井上宇市編 丸善株式会社 ｐ．４０２−４０４ 特開２００４−２７８９７６号公報

しかしながら、一般にモータバルブの開度調整は低速でしか行うことができていないため、図３に示すような空気温度制御装置１００は、数分以下の短い周期の空気温度変動に対して追従できていなかった。そのため、精密な測定機器向けの空調設備には、向いていなかった。また、特許文献１に記載されているような、冷水流量を一定にし、ヒータで冷水温度を調節する方法では、短い周期の空気温度変動に対応することができる。しかし、長い周期の空気温度変動では、外乱や運転条件の変化による冷却コイル処理熱量の変化分と同等以上のヒータ容量が必要となるため、コストがかかるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、微細な空気温度変動に対応でき、かつ大きな処理熱量の変化にも対応できる冷却コイルを用いた空気温度制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は、前記目的を達成するために、冷水が循環し、循環ポンプ、熱交換器、ヒータ、および冷却コイルを有する冷水循環部と、前記熱交換器で熱交換するための冷却水を製造、供給する冷却水製造部と、前記ヒータの出力および前記冷却水の供給量を制御するヒータ制御部と、を備える空気温度制御装置において、前記ヒータ制御部は、空気温度現在値と空気温度目標値から冷水温度目標値を算出する第一のＰＩＤ演算器と、該冷水温度目標値と冷水温度現在値からヒータ出力値を算出する第二のＰＩＤ演算器と、を備え、前記冷水は、前記ヒータ出力値の周期の短い信号に基づいて前記ヒータにより温度制御され、前記ヒータ出力値の周期の長い信号に基づいて前記熱交換器により温度制御されることを特徴とする空気温度制御装置を提供する。

請求項１によれば、空気温度と冷水温度を読みとることによりヒータ出力値を算出し、ヒータ出力値が周期の短い信号である場合は、冷水循環部が有するヒータで対応することにより、微調整をすばやく行うことができる。また、周期の長い信号においては、冷却水の供給量を調整することにより冷水の温度を制御することができる。大きな処理熱量に対しては、冷却水により対応することで、ヒータに必要な容量は小さくて済み、大幅にランニングコストを増加することなく温度制御が可能である。また、モータバルブの制御は、周期の長い温度変動にのみ対応することができればよいため、開度調整が低速であることは大きな問題とならない。

請求項２は請求項１において、前記冷水循環部に、冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを備えることを特徴とする。

請求項２によれば、冷却循環部の熱交換器から送出された冷水は、円筒状流路管において、冷水を急拡散させ、その後、円錐状流路管において冷水を縮流させることができる。このような構成にすることにより、流れのなかで流体の温度むらを平均化させることができるため、拡散装置を別途設けることなく、流体の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて冷水を送出することができる。

請求項３は請求項１または２において、前記冷却水製造部の前記冷却水の供給量を、前記ヒータ制御部のヒータ出力値に応じて調整する第三のＰＩＤ演算器を備えることを特徴とする。

請求項３によれば、冷却水製造部の熱交換器への冷却水の供給量をヒータ出力値に応じて調整することが可能である。したがって、冷水温度の調節をヒータと冷却水の供給量とで調節可能であるため、より精密な温度調節が可能である。

請求項４は、前記目的を達成するために、冷水を循環する冷却コイルを用いて空気温度を制御する空気温度制御方法において、前記冷水の温度は、ヒータと、冷却水による熱交換器と、によって制御されており、空気温度現在値と、空気温度目標値から冷水温度目標値を算出するステップと、冷水温度現在値と前記冷水温度目標値からヒータ出力値を算出するステップと、前記ヒータ出力値の周期の短い信号に基づいて前記ヒータにより、前記冷水温度現在値を前記冷水温度目標値に制御するステップと、前記ヒータ出力値の周期の長い信号に基づいて前記冷却水の流量を調節することにより冷水の温度を調節するステップと、を有することを特徴とする空気温度制御方法を提供する。

請求項４によれば、空気温度現在値、空気温度目標値、冷水温度現在値からヒータ出力値を算出し、ヒータ出力値の周期の短い信号に基づいてヒータにより冷水温度を制御する。さらに、周期の長い信号を用いて冷却水流量を調節することにより、熱交換器にて冷水の温度を制御する。周期の短い信号である微細な空気温度変動は、ヒータで温度制御を行い、大きな空気温度変動は、冷却水を用いて温度制御を行う。したがって、ヒータに必要な容量は小さくて済み、冷水温度の微調整を素早く行うことができる。また、冷却水を用いることにより、大きな処理熱量にも対応することができ、大幅にランニングコストが増加することなく、温度制御が可能である。また、冷却水を調整するためのモータバルブの制御は、周期の長い温度変動にのみ対応することができればよいため、開度調整が低速であることは大きな問題とならない。

請求項５は請求項４において、前記冷水の循環部に、冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを有することを特徴とする。

請求項５によれば、冷水は、円筒状流路管にて、冷水を急拡散させ、その後、円錐状流路管において冷水を縮流させることができる。このような構成にすることにより、流れのなかで流体の温度むらを平均化させることができるため、拡散装置を別途設けることなく、流体の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて冷水を送出することができる。

請求項６は請求項４または５において、前記冷却水流量は、前記ヒータ出力値の周期の短い信号に応じて調整されることを特徴とする。

請求項６によれば、冷却水の流量は、周期の長い信号のみでなく、周期の短い信号に応じて調整することができるため、より精密な温度調節が可能である。

本発明によれば、微細な空気温度変動、および、大きな処理熱量の変化に対応することができる。変動幅の小さい微細な空気温度変動には、ヒータを用いて冷水の温度を調節することで素早く対応することができる。また、変動幅の大きい大きな処理熱量の変化に対しては、冷却水による熱交換器により対応することで、大幅にランニングコストが増加することなく、温度制御が可能である。

以下、添付図面により本発明の空気温度制御装置および制御方法の好ましい実施の形態について詳説する。

≪第一実施形態≫
［空気温度制御装置の全体構成］
図１は、本発明の第一実施形態に係る空気温度制御装置１の構成図である。図１に示すように、空気温度制御装置１は、冷水循環部Ａ、ヒータ制御部Ｂ、冷却水製造部Ｃから構成されている。冷水循環部Ａは、循環ポンプ１４より流れ方向に、熱交換器１５、バッファタンク１６、ヒータ１７、冷水温度センサー１８、冷却コイル１２が設置されている。ヒータ制御部Ｂは、空気温度センサー１３、第一のＰＩＤ演算器２３、第二のＰＩＤ演算器２４、第三のＰＩＤ演算器２５、電力調整器３０、ローパスフィルタ３１から構成されている。そして、冷却水製造部Ｃは、冷却水製造設備１９、モータバルブ２０から構成されている。次に、各構成部分について説明する。

［冷水循環部Ａ］
冷水循環部Ａは、冷却コイル１２を備え、ダクト１１を通過する空気を、冷却コイル１２に接触させることにより、空気を所定の温度に制御することができる。冷水は、一定の供給量で冷水循環部Ａを循環し、熱交換器１５、およびヒータ１７により冷水の温度を制御することで空気温度を制御する。冷水循環部Ａには、循環ポンプ１４が設けられており、この循環ポンプ１４によって、冷水を冷水循環部で循環する。熱交換器１５は、冷却水製造部Ｃで製造された冷却水を用いて冷水の温度を調整する。また、冷水を貯蓄し、冷水の温度を一定にするバッファタンク１６、冷水の温度を加熱により調整するヒータ１７、冷水の温度を測定する冷水温度センサー１８を備えている。ヒータ１７、冷水温度センサー１８は、ヒータ制御部Ｂに接続されており、冷水温度、空気温度などのヒータ制御部Ｂからの温度情報に基づいてヒータ１７を制御することにより、冷水の温度を調節することができる。

［ヒータ制御部Ｂ］
ヒータ制御部Ｂは、ダクト内の空気温度現在値、冷水温度現在値などから冷水の温度を制御し、空気温度を調節する。ヒータ制御部Ｂは、空気温度センサー１３、電力調整器３０、第一のＰＩＤ演算器２３、第二のＰＩＤ演算器２４、第三のＰＩＤ演算器２５、およびローパスフィルタ３１から構成されている。空気温度センサー１３は、ダクト内を通過する空気の温度を測定し、空気温度現在値２１を求める。第一のＰＩＤ演算器２３は、空気温度現在値２１と空気温度目標値２２から冷水温度目標値２６を算出する。そして、第二のＰＩＤ演算器２４は、第一のＰＩＤ演算器２３で算出した冷水温度目標値２６と、冷水循環部Ａに備えられている冷水温度センサー１８により測定された冷水温度現在値２７からヒータ出力値２８を算出する。電力調整器３０は、ヒータ出力値２８の信号から、ヒータ１７の出力を調整し、冷水温度現在値２７を冷水温度目標値２６に近づけるように制御する。また、ローパスフィルタ３１を通過させることにより、冷却水製造部Ｃのモータバルブ２０に対応できない変動を予め除去し、第三のＰＩＤ演算器２５を安定させている。このローパスフィルタ３１を通過したヒータ出力値２９と、ヒータ出力目標値３２から第三のＰＩＤ演算器２５で、冷却水製造部Ｃのモータバルブ２０の開度を決定する。

［冷却水製造部Ｃ］
冷却水製造部Ｃは、冷水循環部Ａを循環する冷水を、熱交換器１５を介して温度制御する冷却水を製造する。冷却水製造部Ｃは、冷却水製造設備１９、モータバルブ２０から構成される。ヒータ制御部Ｂからの周期の長い信号により、モータバルブ２０の開度を調整して、冷却水の流量を調整することにより、冷水の温度を調整することができる。

［制御方法］
制御は、まず、ダクト１１内を通過する空気温度を温度センサー１３で測定し、空気温度現在値２１を測定する。この空気温度現在値２１と、空気温度目標値２２から、第一のＰＩＤ演算器２３により、冷水温度目標値２６を算出する。次に冷水温度センサー１８で測定した冷水温度現在値２７と冷水温度目標値２６から、第二のＰＩＤ演算器２４によりヒータ出力値２８を算出する。このヒータ出力値２８を電力調整器３０に信号入力しヒータ１７の出力を調整して冷水温度現在値２７を冷水温度目標値２６に近づけるように制御する。

また、ヒータ出力値２８に適当なローパスフィルタ３１を施す。これより算出されたヒータ出力値２９とヒータ出力目標値３２から、第三のＰＩＤ演算器２５でバルブ開度３３を算出し、モータバルブ２０の開度を調整してヒータ出力値２９がヒータ出力目標値３２に近づけるよう制御する。

本発明では、周期が１０００秒未満と比較的短く、温度の変動幅が０．５℃未満といった微細な空気温度変動は、ヒータ１７の制御で対応する。これにより、制御をすばやく行うことができ、温度の微調整も可能となる。

逆に周期が１０００秒以上、変動幅が０．５℃以上あるような大きい空気温度変動は、冷却水のモータバルブ２０の開度を制御し、冷却水により熱交換器を介して冷水の温度制御が可能となる。大きな温度変動は冷却水を用いて行うため、ヒータ１７に必要な容量は小さくて済むため、コストを抑えることができる。また、モータバルブ２０の制御による温度制御では、周期の長い温度変動に対応できれば充分であるため、開度の調整が低速であることは問題とならない。

このように、周期が短く微細な温度変化は、ヒータ１７により温度制御し、周期が長く大きい温度変化は熱交換器の流量で制御することにより、微細な温度変化にすばやく対応することができる。また、ヒータ１７に必要な容量を少なくすることができ、大幅なランニングコストの増加なしに冷水温度の微調整を行うことができる。

また、モータバルブ２０のバルブ開度３３を調節する前に、ヒータ出力値２８にローパスフィルタ３１を施すことにより、モータバルブ２０で対応できない変動を予め除去し、バルブ開度を制御することができる。したがって、冷却水を用いた熱交換器による冷水の温度制御により、周期が短い温度変化の信号のみとなった場合には、ローパスフィルタ３１で除去される。したがって、温度制御初期においては、熱交換器１５、およびヒータ１７により冷水の温度制御を行うが、温度変動が小さくなると、ヒータ１７のみでの制御となるため、精密な温度制御が可能である。

また、モータバルブ２０の開度は、ヒータ出力値２８に応じて調整可能であることが好ましい。モータバルブ２０の開度を、ヒータ出力値２８に応じて調整可能とすることにより、冷却水による熱交換器１５とヒータ１７とにより温度が調整されるため、より精密な温度制御が可能となる。

≪第二実施形態≫
図２は、本発明の第二実施形態に係る空気温度制御装置４０の構成図を示す。第二実施形態は、冷水循環部Ａの熱交換器１５とヒータ１７との間に、冷水混合タンク５０を備える点が第一実施形態と異なっている。なお、他の構成については、第一実施形態と同様の構成であるため、説明を省略する。

［冷水混合タンクの構成］
冷水混合タンク５０は、図２に示すように、熱交換器１５からの冷水が供給される供給口５２が下部に形成された円筒状流路管５４と、この円筒状流路管５４の上端部に一体的に連結されたウエブに冷水の送出口５６が形成された先細状の円錐状流路管５８とによって構成されている。

熱交換器１５から円筒状流路管５４に供給された、温度にばらつきのある冷水は、円筒状流路管５４に流入した直後に、円筒状流路管５４の下層部において急拡散する。これにより、冷水は、空間的に温度むらのある状態となるが、継続して供給されてくる冷水の水力によって円筒状流路管５４内で自然に混合されることにより温度むらが徐々に少なくなっていく。そして、冷水は、円筒状流路管５４の上層部において上昇流となって円錐状流路管５８に導かれる。そして、円錐状流路管５８を流れる際に、温度むらのあった流体が、縮流していき空間的な温度むらが小さくなって平均化される。そして、円錐状流路管５８の送出口５６から、図２に示したヒータ１７に送り出される。

このように、冷水混合タンク５０は、円筒状流路管５４において冷水を急拡散させ、この後、円錐状流路管５８において冷水を縮流させる、という構造である。したがって、冷水の流れのなかで冷水の温度むらを平均化することができるため、拡散装置を別途設けることなく、冷水の温度のばらつきを所定の範囲に抑えて、冷水を冷却コイル１２に送り出すことができる。

また、円筒状流路管５４の中層部に、多孔質の整流板を設けることによって、円筒状流路管５４から円錐状流路管５８に流れる冷水を強制的に整流化することができる。したがって、円筒状流路管５４において偏流が無くなり、冷水を均一に縮流・混合できる。これにより、温度制御性を向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る空気温度制御装置の構成図である。 本発明の第二実施形態に係る空気温度制御装置の構成図である。 従来の冷却コイルを用いた空気温度制御装置の構成図である。

符号の説明

１、４０…空気温度制御装置、１１…ダクト、１２…冷却コイル、１３…空気温度センサー、１４…循環ポンプ、１５…熱交換器、１６…バッファタンク、１７…ヒータ、１８…冷水温度センサー、１９…冷却水製造設備、２０…モータバルブ、２１…空気温度現在値、２２…空気温度目標値、２３…第一のＰＩＤ演算器、２４…第二のＰＩＤ演算器、２５…第三のＰＩＤ演算器、２６…冷水温度目標値、２７…冷水温度現在値、２８、２９…ヒータ出力値、３０…電力調整器、３１…ローパスフィルタ、３２…ヒータ出力目標値、３３…バルブ開度、５０…冷水混合タンク、５２…供給口、５４…円筒状流路管、５６…送出口、５８…円錐状流路管、Ａ…冷水循環部、Ｂ…ヒータ制御部、Ｃ…冷却水製造部

Claims (6)

1. 冷水が循環し、循環ポンプ、熱交換器、ヒータ、および冷却コイルを有する冷水循環部と、
   前記熱交換器で熱交換するための冷却水を製造、供給する冷却水製造部と、
   前記ヒータの出力および前記冷却水の供給量を制御するヒータ制御部と、を備える空気温度制御装置において、
   前記ヒータ制御部は、空気温度現在値と空気温度目標値から冷水温度目標値を算出する第一のＰＩＤ演算器と、該冷水温度目標値と冷水温度現在値からヒータ出力値を算出する第二のＰＩＤ演算器と、を備え、
   前記冷水は、前記ヒータ出力値の周期の短い信号に基づいて前記ヒータにより温度制御され、前記ヒータ出力値の周期の長い信号に基づいて前記熱交換器により温度制御されることを特徴とする空気温度制御装置。
2. 前記冷水循環部に、冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを備えることを特徴とする請求項１記載の空気温度制御装置。
3. 前記冷却水製造部の前記冷却水の供給量を、前記ヒータ制御部のヒータ出力値に応じて調整する第三のＰＩＤ演算器を備えることを特徴とする請求項１または２記載の空気温度制御装置。
4. 冷水を循環する冷却コイルを用いて空気温度を制御する空気温度制御方法において、
   前記冷水の温度は、ヒータと、冷却水による熱交換器と、によって制御されており、
   空気温度現在値と、空気温度目標値から冷水温度目標値を算出するステップと、
   冷水温度現在値と前記冷水温度目標値からヒータ出力値を算出するステップと、
   前記ヒータ出力値の周期の短い信号に基づいて前記ヒータにより、前記冷水温度現在値を前記冷水温度目標値に制御するステップと、
   前記ヒータ出力値の周期の長い信号に基づいて前記冷却水の流量を調節することにより冷水の温度を調節するステップと、を有することを特徴とする空気温度制御方法。
5. 前記冷水の循環部に、冷水が供給される供給口が下部に形成された円筒状流路管と、該円筒状流路管の上端部に一体的に連結され上部に前記冷水の送出口が形成された先細状の円錐状流路管とを有することを特徴とする請求項４記載の空気温度制御方法。
6. 前記冷却水流量は、前記ヒータ出力値の周期の短い信号に応じて調整されることを特徴とする請求項４または５記載の空気温度制御方法。

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