JP2008185232A - 温調空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器で空気流を冷却し、冷却された空気流をヒータで加熱する温度調整装置おいて、ヒータの容量を小さくする。
【解決手段】冷凍機４２と、冷凍機４２から冷媒が循環され、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器３６と、熱交換器３６を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータ３８と、ヒータ３８によって加熱された空気を送り出すための送風機４０と、送風機４０から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサ５６と、第１の温度センサ５６が検出した温度に基づいて、ヒータ３８を制御してヒータ３８による加熱温度の調整を行う加熱制御部５４と、第１の温度センサ５６が検出した温度に基づいて、冷凍機４２から熱交換器３６に循環される冷媒の温度を制御する冷凍機制御部７２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置に関する。

例えば、液晶ディスプレイの製造では、温湿度制御されたクリーンルーム内でガラス板上に、スパッタリングやプラズマＣＶＤでの成膜や露光装置による露光等の精密加工が施される。
かかる精密加工では、温度変化に因るガラス板の大きさ変動が、その加工精度に影響するため、精密加工を施す前に、予め温度変化に因るガラス板の大きさ変動を解消すべく、クリーンルーム内に設置した棚体にガラス板を所定時間載置することが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

棚体に所定時間載置し、クリーンルーム内の温度に調整されたガラス板に、精密加工が施される。
しかし、近年では、液晶ディスプレイの大型化に伴って基板として用いるガラス板も、大型のガラス板が採用されてきている。このため、クリーンルームの温度変化に因るガラス板の大きさ変動が、精密加工の加工精度に影響を与えるようになってきている。

このような、大型のガラス板の温度変化による大きさ変動を可及的に少なくすべく、本願出願人は、冷凍機によって冷却された冷媒を熱交換器に導入して空気流を冷却し、冷却された空気流をさらに加熱装置であるヒータによって加熱することで、所定の温度に温調された温調空気を生成することができ、精密な温度調整ができることを見出した（特願２００６−１９６３４６号）。

このような温調空気供給装置の構成について、図３に基づいて説明する。
温調空気供給装置１０は、ガラス板等のワーク（図示せず）が載置されたチャンバー１１内に、所定温度に温調された温調空気を供給するものである。
温調空気供給装置１０は、空気流を冷却する冷却手段と加熱する加熱手段とが設けられており、冷却手段としては、冷凍機１３に連結された熱交換器１２が用いられ、加熱手段としてはヒータ１４が用いられる。

熱交換器１２は、冷凍機１３に対して、冷媒を供給する供給管１５と、冷媒を戻す戻し管１６を介して連結されている。この冷媒としては、水が用いられる。
また、温調空気供給装置１０では、熱交換器１２には、冷凍機１３によって所定温度に冷却した冷媒としての水を循環することによって、開口部１８から吸い込まれた空気を熱交換器１２により冷却した後、ヒータ１４によって所定温度に調整する。ヒータ１４は、冷凍機１３によって冷媒温度を変更する場合に比較して、その加熱温度を容易に且つ迅速に変更できる。このため、空気流の温度を容易に且つ迅速に所定温度に調整できる。

ヒータ１４は、制御部２０によって制御されている。かかる制御部２０では、予め入力されて設定された設定温度と温度センサ２２によって測定されたフィルタ２４から吹き出される空気流の温度とに基づいてヒータ１４を制御する。

ヒータ１４を通過しつつ所定温度に調整された空気流は、送風機２６によってチャンバー１１内に送風され、チャンバー１１内を所定圧力に保持する。

特開２００２−７２４９２号公報 特開２００４−２００７０６号公報

上述した温調空気供給装置１０によれば、熱交換器１２へ取り入れられる空気流の温度が設定すべき温度よりも低い場合、熱交換器１２を通過した空気流はさらに温度が低くなるので、熱交換器１２を通過した空気流を加熱するヒータ１４の電気的な容量を予め大きくしておいて設定すべき所定温度に温調しなくてはならない。

このように、空気流を冷却したのち加熱して所定温度の温調空気を生成する場合においては、ヒータ１４のみを温調空気の実際の温度に基づいて制御するとなると、ヒータ１４の電気的な容量を予め大きくとらざるを得ず、製造コストが高いものとなっている。
また、特に熱交換器１２を通過した空気流の温度が低い場合には、この空気流の温度を所定温度にまで上昇させるために当然にヒータ１４の消費電力も大きくなるため、ランニングコストも高くなってしまうという課題がある。

本発明者等は、熱交換器における冷却工程を制御することができれば、ヒータの容量を大きくしなくとも済むと考え鋭意検討を行った結果、本発明に想到した。

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、冷凍機に連結された熱交換器で空気流を冷却し、冷却された空気流をヒータで加熱して所定温度の空気流を得る温調空気供給装置おいて、ヒータの電気的容量を小さくすべく熱交換器における冷却工程を制御する温調空気供給装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成すべく、以下の構成を備える。
すなわち、本発明の温調空気供給装置によれば、所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、冷媒を供給する冷凍機と、冷凍機から供給された冷媒を循環させて、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、前記第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機が供給する冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備する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、最終的な温調空気の温度に基づいて熱交換器に供給される冷媒の温度が自動的に制御され、熱交換器における冷却工程の制御を行うことができる。このため、熱交換器に取り入れられる空気流の温度が低い場合でも熱交換器では空気流の温度を下げすぎないように制御でき、熱交換器の後段に設けられているヒータの電気的な容量を予め大きくしておかなくともよくなった。また、ヒータにおける加熱時の消費電力も低減することができる。

また、所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、冷媒を供給する冷凍機と、冷凍機から供給された冷媒を循環させて、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、前記熱交換器に取り入れられる空気の温度を検出する第２の温度センサと、該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、前記第２の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機が供給する冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備することを特徴としている。
この構成によれば、熱交換器に取り入れられる空気の温度に基づいて熱交換器に供給される冷媒の温度が自動的に制御され、熱交換器における冷却工程の制御を行うことができる。このため、熱交換器に取り入れられる空気流の温度が低い場合でも熱交換器では空気流の温度を下げすぎないように制御でき、熱交換器の後段に設けられているヒータの電気的な容量を予め大きくしておかなくともよくなった。また、ヒータにおける加熱時の消費電力も低減することができる。

また、所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、冷媒を供給する冷凍機と、冷凍機から供給された冷媒を循環させて、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、前記熱交換器に取り入れられる空気の温度を検出する第２の温度センサと、該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、前記第１の温度センサおよび第２の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機が供給する冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備することを特徴としている。
この構成によれば、最終的な温調空気の温度および熱交換器に取り入れられる空気の温度に基づいて熱交換器に供給される冷媒の温度が自動的に制御され、熱交換器における冷却工程の制御を行うことができる。このため、熱交換器に取り入れられる空気流の温度が低い場合でも熱交換器では空気流の温度を下げすぎないように制御でき、熱交換器の後段に設けられているヒータの電気的な容量を予め大きくしておかなくともよくなった。また、ヒータにおける加熱時の消費電力も低減することができる。

本発明にかかる温調空気供給装置によれば、熱交換器における空気流の冷却を制御することができるので、ヒータの電気的な容量を小さくすることができコスト削減に寄与する。また、ヒータの消費電力も削減することができるので、ランニングコストの低減にも寄与する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本発明の温調空気供給装置の全体構成を示す。
本実施形態で示す温調空気供給装置３０は、従来の技術で説明したものと同様に、液晶ディスプレイ用のガラス板を、精密加工を施す前に所定温度に維持すべくチャンバー３１内に載置したものに対し、所定温度の空気流を噴出させるものである。
また、温調空気供給装置３０およびチャンバー３１は、全体が温湿度調整されたクリーンルーム内に設置されているものであり、クリーンルーム内が温度変化してとしてもこの温度変化がガラス板に及ばないようにすることができるように設けられている。

温調空気供給装置３０は、チャンバー３１の開口部側に隣接して配置され、所定温度に調整された温調空気をチャンバー３１内に送り込む。
温調空気供給装置３０の温調空気の吹き出し口３３には、フィルタ３４が設けられており、チャンバー３１内に送り込む空気流の除塵をする。フィルタ３４としては、０．３μｍの粒子を捕集できるＨＥＰＡフィルタ（High Efficiency Particulate Air filter）または０．１５μｍの粒子を捕集できるＵＬＰＡフィルタ（Ultra Low Penetration Air filter）を用いると、高度に除塵された空気流をフィルタ３４全面から吹き出すことができ、好ましい。

温調空気供給装置３０の外壁面の一部には、開口した開口部３５が形成されており、開口部３５から取り入れられた空気が、冷却手段である熱交換器３６と加熱手段であるヒータ３８を経て所定温度に温調され、送風機４０によって吹き出し口３３から温調空気として吹き出される。

熱交換器３６は、冷凍機４２と連結され、冷凍機４２で冷却された冷媒を循環させて開口部３５から取り入れられた空気流を冷却する。熱交換器３６と冷凍機４２との間は、熱交換器３６へ冷媒を供給する供給管４４と、熱交換器３６から冷凍機４２へ冷媒を戻す戻し管４６とが連結されている。
供給管４４と戻し管４６のそれぞれには、異物を濾過するストレーナ４８，４９がそれぞれ設けられている。
また、冷媒としては水を用いることによって、熱交換器３６の補修等を容易に行うことができる。

制御部５４は、最終的に吹き出し口３３から吹き出す温調された空気流の温度を検出する温度センサ５６に接続され、温度センサ５６が検出する温度に基づいて予め設定された温度となるように、ヒータ３８を制御する。
制御部５４内には、具体的には温度調節器５７が設けられており、ユーザが設定温度を入力可能である。そして、温度調節器５７は、温度センサ５６が検出した温度に基づいて温調空気の温度が予め設定された温度となるように、制御信号をソリッドステートコンタクタ（以下、単にＳＳＣと称する場合がある）５８へ出力し、ＳＳＣ５８がヒータ３８へパルス電圧を出力してヒータ３８の加熱制御を行う。

また、温度調節器５７のヒータ３８の制御はＰＩＤ制御によって好適に行われる。すなわち、ＰＩＤ制御は、設定温度と温度センサ５６で測定された温度の温度差に応じてヒータ温度を変化させる比例動作（Ｐ動作）と、温度差の継続時間に比例してヒータ温度を変化させる積分動作（Ｉ動作）と、温度差の変化量に比例してヒータ温度を変化させる微分動作（Ｄ動作）とからなる。

制御部５４内には、冷凍機４２の冷媒の温度を制御可能な制御信号を出力する制御回路７２が設けられている。
制御回路７２は、温度調節器５７に接続されており、温度調節器５７からの制御信号に基づいて、冷凍機４２側で制御可能となる制御信号を出力する。

制御回路７２と、冷凍機４２との間は、具体的にはＲＳ４８５等のシリアル通信で通信可能なケーブル５９によって接続されており、冷凍機４２にはケーブル５９を接続可能な通信ポート６４が設けられている。

冷凍機４２は、熱交換器３６へ供給する冷媒を貯留する水槽６５と、冷凍機４２内部を循環する冷媒が循環する循環路６６と、内部熱交換器６７と、内部熱交換器６７を介して水槽６５に接続され、内部熱交換器６７で冷却された冷媒を熱交換器３６へ供給するための圧送ポンプ７８とを有しており、内部熱交換器６７によって冷凍機４２内部を循環する冷媒と、熱交換器３６へ供給される冷媒とが熱交換され、熱交換器３６へ供給される冷媒が冷却される。
循環路６６には、内部熱交換器６７と、圧縮機６８と、凝縮機６９と、膨張弁７４とが配置されており、冷凍機４２内部を循環する冷媒は内部熱交換器６７で冷媒から熱を奪い、圧縮機６８によって圧縮されることで温度が上昇し、次に凝縮機６９で凝縮されることで凝縮潜熱とともに放熱し、膨張弁７４で減圧させられることで温度が低下させられ、再度内部熱交換器６７に導入される。

冷凍機４２には、圧縮機６８の回転数を制御するための制御部７６が設けられている。制御部７６としては、具体的にはインバータ制御等で圧縮機６８の回転数を制御できる。
上述した通信ポート６４へ入力された制御信号は、制御部７６に送信され、制御部７６は受信した制御信号に基づいて圧縮機６８の回転数を制御する。このように、制御回路７２から入力された制御信号に基づいて、圧縮機６８の回転数の制御をし、冷凍機４２内部を循環する冷媒の温度を調整することにより、熱交換器３６へ供給する冷媒の温度を調整することができる。

なお、本実施形態におけるヒータ３８の制御および冷凍機４２の制御はともに、1台の温度調節器５７によって実行される。したがって、特許請求の範囲でいう冷凍機制御部は本実施形態では温度調節器５７および制御回路７２に該当し、特許請求の範囲でいう加熱制御部は本実施形態では温度調節器５７およびＳＳＣ５８に該当する。

なお、熱交換器３６の下方には、漏水センサ６０とドレンポート６１が設けられている。漏水センサ６０が漏水を検出すると、冷凍機４２の運転を停止するように制御される。また、ドレンポート６１には、ドレンバルブ６２が設けられている。
さらに、ヒータ３８の近傍には過昇温防止サーモ６４が設けられており、ヒータ３８が所定の温度以上になったことを検出した場合には運転を停止するように制御部５４で制御可能に設けられている。

以下、第１の実施形態における温調空気供給装置３０の動作を説明する。
冷凍機４２では冷媒の温度を設定温度よりも４℃低い状態に設定する。
温度センサ５６で測定した温調空気の温度が設定温度よりも高い場合、制御部５４では冷凍機４２が供給する冷媒の温度を下げるように冷凍機４２を制御する。
温度センサ５６で測定した温調空気の温度が設定温度よりも低い場合、制御部５４では
冷凍機４２が供給する冷媒の温度を上げるように冷凍機４２を制御する。
このように熱交換器３６に流通される冷媒の温度を制御可能としたことにより、ヒータの電気的容量は、従来の容量の１／３〜１／４程度にまで小さくすることができるようになった。
また、取り入れる空気の温度が低い場合におけるヒータ３８の消費電力は、取り入れる空気の温度が高い場合の消費電力とほぼ同等になった。

（第２の実施形態）
次に、温調空気供給装置の第２の実施形態について説明する。
ただし、上述した第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合もある。
本実施形態では、熱交換器３６に空気流を取り入れる開口部３５と熱交換器３６との間に温度センサ７０を設けた点で第1の実施形態と異なる。

温度センサ７０は、熱交換器３６に取り入れられる空気流の温度を測定し、制御部５４へ測定した空気温度を出力する。
制御部５４は、吹き出し口３３に設けられて最終的に温調された空気の温度を測定する温度センサ５６に接続された温度調節器５７と、ヒータ３８の制御を実行するＳＳＣ５８と、冷凍機４２に制御信号を出力する制御回路７２とが設けられている。
制御回路７２は、温度センサ７０で測定した温度が入力され、温度センサ７０で測定した温度と予め設定された温度との差を算出する機能と、算出された差に基づいて冷凍機４２へ制御信号を出力する機能とを有している。

このように、空気流の入力側の温度を測定して設定温度との差がなくなるように冷凍機４２を制御して熱交換器３６における空気流の冷却を制御するので、ヒータ３８における加熱制御の負担を軽減し、よりランニングコストの低減に寄与するものである。

以下、第２の実施形態における温調空気供給装置３０の動作を説明する。
冷凍機４２では冷媒の温度を設定温度よりも４℃低い状態に設定する。
温度センサ７０で測定した、取り入れる空気の温度が設定温度よりも高い場合、制御部５４では冷凍機４２が供給する冷媒の温度を下げるように冷凍機４２を制御する。
温度センサ７０で測定した、取り入れる空気の温度が設定温度よりも低い場合、制御部５４では冷凍機４２が供給する冷媒の温度を下げるように冷凍機４２を制御する。
このように熱交換器３６に流通される冷媒の温度を制御可能としたことにより、ヒータの電気的容量は、従来の容量の１／３〜１／４程度にまで小さくすることができるようになった。
また、取り入れる空気の温度が低い場合におけるヒータ３８の消費電力は、取り入れる空気の温度が高い場合の消費電力とほぼ同等になった。

なお、本実施形態で温度センサ７０で測定した温度と比較するのは、予めユーザによって設定された設定温度ではなく、温度センサ５６で測定された吹き出し口３３から吹き出される最終的に温調された空気の温度であってもよい。

なお、上述していた各実施形態においては、制御部５４内の温度調節器５７は1つの温度センサ５６に対して、加熱側と冷却側の２系統の制御信号の出力が可能であった。したがって、各実施形態においては温度調節器５７は1台設けるだけで制御可能であったが、出力が1系統しかない温度調節器を用いる場合においては、ヒータを制御する温度調節器と、冷凍機４２を制御する温度調節器の２台の温度調節器が必要となる。
また、２台の温度調節器を設ける場合、それぞれに温度センサが必要となるため、吹き出し口３３に設けられた温度センサ５６および開口部３５と熱交換器３６との間に設けられた温度センサ７０は、それぞれ２個ずつ必要となる。

さらに、冷凍機４２を制御する際に必要となる温度センサ５６および温度センサ７０で測定された空気温度は、温度調節器５７に入力させるのではなく、制御回路７２に直接入力させるようにしてもよい。かかる場合、温度調節器５７はヒータ３８の制御のみを行い、冷凍機４２に制御信号を出力する特許請求の範囲でいう冷凍機制御部は制御回路７２が該当する。

なお、これまでの説明では、ワークとして液晶ディスプレイのガラス板について説明してきたが、半導体ウェーハの温度調整にも本発明の温調空気供給装置を用いることができる。

以上本発明につき好適な実施形態を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

温調空気供給装置の第１の実施形態の全体構成を説明する説明図である。 温調空気供給装置の第２の実施形態の全体構成を説明する説明図である。 従来の温調空気供給装置の全体構成を説明する説明図である。

符号の説明

３０ 温調空気供給装置
３１ チャンバー
３３ 吹き出し口
３４ フィルタ
３５ 開口部
３６ 熱交換器
３８ ヒータ
４０ 送風機
４２ 冷凍機
４４ 供給管
４６ 戻し管
４８，４９ ストレーナ
５４ 制御部
５６ 温度センサ
５７ 温度調節器
５９ ケーブル
６０ 漏水センサ
６１ ドレンポート
６２ ドレンバルブ
６４ 過昇温防止サーモ
６４ 通信ポート
６５ 水槽
６６ 循環路
６７ 内部熱交換器
６８ 圧縮機
６９ 凝縮機
７０ 温度センサ
７２ 制御回路
７４ 膨張弁
７６ 制御部
７８ 圧送ポンプ

Claims (3)

1. 所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、
   冷凍機と、
   冷凍機から冷媒が循環され、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、
   該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、
   該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、
   該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、
   前記第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機から熱交換器に循環される冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備することを特徴とする温調空気供給装置。
2. 所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、
   冷凍機と、
   冷凍機から冷媒が循環され、
   取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、
   該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、
   該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記熱交換器に取り入れられる空気の温度を検出する第２の温度センサと、
   該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、
   前記第２の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機から熱交換器に循環される冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備することを特徴とする温調空気供給装置。
3. 所定温度の空気流を生成する温調空気供給装置において、
   冷凍機と、
   冷凍機から冷媒が循環され、取り入れられた空気流を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過して冷却された冷却空気を加熱して所定温度の温調空気とするヒータと、
   該ヒータによって加熱された空気を送り出すための送風機と、
   該送風機から送り出された空気の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記熱交換器に取り入れられる空気の温度を検出する第２の温度センサと、
   該第１の温度センサが検出した温度に基づいて、前記ヒータを制御してヒータによる加熱温度の調整を行う加熱制御部と、
   前記第１の温度センサおよび第２の温度センサが検出した温度に基づいて、前記冷凍機から熱交換器に循環される冷媒の温度を制御する冷凍機制御部とを具備することを特徴とする温調空気供給装置。

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