JP3315037B2 - 空気調和装置 - Google Patents

空気調和装置

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JP3315037B2
JP3315037B2 JP21339996A JP21339996A JP3315037B2 JP 3315037 B2 JP3315037 B2 JP 3315037B2 JP 21339996 A JP21339996 A JP 21339996A JP 21339996 A JP21339996 A JP 21339996A JP 3315037 B2 JP3315037 B2 JP 3315037B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、循環系のクリーン
エアに対して温度調節と湿度調節と不純物除去を同時に
行い得る空気調和装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、64M DRAMの量産体制に入
った以降の半導体メモリーの製造工程では、クリーンル
ーム空気中に含まれる微量な粒子やガス(NH3 ,Cl
2 ,SO2 ,HF等)などの不純物が生産に非常に大き
な影響を与えることが明らかになっている。これら不純
物は、外気に含まれている場合もあるし、クリーンルー
ム内での半導体製造プロセスにおいて発生するものもあ
る。
【0003】現在、この対策のために、クリーンルーム
に導入される前に外気から前記不純物を除去する不純物
除去装置(以下、これを外気系の不純物除去装置とい
う)や、クリーンルーム内に設置してクリーンルームを
循環する空気から前記不純物を除去する不純物除去装置
(以下、これを循環空気系の不純物除去装置という)な
どの研究開発が行われている。
【0004】外気系の不純物除去装置としては、導入外
気に水を噴霧して気液接触させ、外気に含まれる粒子や
ガス状の不純物を噴霧された水によって捕獲する所謂エ
アワッシャタイプのもの(例えば特開平6−19391
1号公報)が多用されている。
【0005】このエアワッシャタイプの不純物除去装置
は処理空気に湿度上昇を伴うため、循環空気系の不純物
除去装置には不向きである。というのは、クリーンルー
ムを循環する空気は、温度を23±0.5゜Cに、相対
湿度を45±5%程度に制御する必要があるからであ
る。
【0006】一方、特開平6−198123号公報に開
示されているようなケミカルフィルタは、イオン交換繊
維や活性炭等の吸着部材を備え、この吸着部材で空気中
の粒子やガス状の不純物を化学吸着あるいは物理吸着し
て除去するものであり、このケミカルフィルタは処理空
気の湿度上昇を伴わないので、循環空気系の不純物除去
装置に好適である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、循環空
気系に好適とされる前記ケミカルフィルタは、除去容量
に限りがあるので吸着部材を定期的に再生あるいは交換
しなければならず、そのメンテナンスが面倒であった。
また、吸着部材が大変に高価なためランニングコストが
高くなるという不利点もあった。
【0008】さらに、ケミカルフィルタはイニシャルコ
ストも高く、半導体製造クリーンルームの建設費高騰の
一因になっていた。
【0009】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、循環系クリーンエアから不
純物を除去でき、温度調節機能と湿度調節機能を併有
し、構造が簡単で、メンテナンスも容易にでき、安価な
空気調和装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明
の空気調和装置は、クリーンエアの循環経路内に設置さ
れ、内部を熱媒体が流れるジャケットを有し、ジャケッ
トを介してクリーンエアと熱媒体との間で熱交換が行わ
れる熱交換器と、前記熱交換器のジャケットの表面に純
水を供給してジャケットの表面に下降流の純水の水膜を
形成してクリーンエアに含まれる粒子やガス状の不純物
を捕獲する純水滴下装置とを有する。循環経路に外気
を導入する外調機を備え、この外調機が外気を所定の温
度に調整する温度制御手段及び外気を所定湿度範囲に調
整する湿度制御手段を備え、調温調湿された外気を循環
経路に補給することが好ましい。この発明の空気調和装
置は、好ましくは半導体製造に用いられるクリーンルー
ムにクリーンエアを循環させる場合に用いられる。その
場合、前述した循環経路にはその構成要素としてクリー
ンルームが含まれる。
【0011】この空気調和装置では、熱交換器のジャケ
ット表面に形成された純水の水膜と熱交換器とがクリー
ンエアの温度調節と湿度調節を行い、また、ジャケット
の表面の純水の水膜がクリーンエアに含まれる粒子やガ
ス状の不純物を捕獲しクリーンエアから除去する。
【0012】前記熱交換器のジャケットは、横断面円形
の直管状のコイルで構成することが可能である。更に、
ジャケットはフィンを備えていてもよく、このフィンに
も水膜を形成するようにしてもよい。
【0013】ただし、ジャケットの構成はこれに限るも
のではなく、ジャケットの表面に純水の水膜を形成する
ことができ、水膜の下降流を形成することができれば、
どのような形状であってもよいし、どのような姿勢に設
置してもよい。また、水膜はジャケットの全表面に形成
するのが好ましいが、ジャケットの一部だけに水膜を形
成した場合にも本発明は成立する。
【0014】熱交換器の熱媒体には水を用いることもで
きるし、他の流体を用いることもできる。純水滴下装置
から熱交換器のジャケットへの純水の供給方法は、ジャ
ケットの上方から滴下するのが好ましい。このようにす
ると、ジャケットの表面へのみ純水を供給することがで
き、クリーンエアの湿度上昇を極力抑えることができ
る。
【0015】本発明の空気調和装置は、クリーンエアの
循環経路内に設置され、内部を熱媒体が流れるジャケッ
トを有し、ジャケットを介してクリーンエアと熱媒体と
の間で熱交換が行われる熱交換器と、熱交換器のジャケ
ットの表面に純水を供給してジャケットの表面に下降流
の純水の水膜を形成する純水滴下装置と、循環経路内に
おける熱交換器の下流に設けられてクリーンエアの湿度
を検出する湿度検出手段と、この湿度検出手段の検出値
に基づいて熱交換器に供給する熱媒体の温度を制御して
熱交換器のジャケット表面に形成される水膜による加湿
作用を相殺する熱媒体温度制御手段と、循環経路内にお
ける熱交換器の下流に設けられてクリーンエアの温度を
検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出値に
基づいて熱交換器に供給する熱媒体の供給量を制御して
クリーンエアの温度を一定に保つようにする熱媒体供給
量制御手段とを備える
【0016】このようにすると、クリーンエアに対する
調温と調湿をバランスよく効率的に行うことができる。
前記湿度検出手段は例えば露点センサで構成することが
できる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る空気調和装置
の実施の形態を図1から図6の図面に基いて説明する。
【0018】〔第1の実施の形態〕初めに、図1から図
5を参照して本発明の空気調和装置の第1の実施の形態
を説明する。
【0019】図1は半導体製造棟の縦断面図であり、ク
リーンルーム1には上部リターンプレナムチャンバ5か
らファンフィルタユニット2を通してクリーンエアが供
給されており、クリーンエアはクリーンルーム1から下
部リターンプレナムチャンバ3を通り、リターンシャフ
ト4を通り、再び上部リターンプレナムチャンバ5及び
ファンフィルタユニット2を通ってクリーンルーム1に
戻るようになっている。即ち、クリーンルーム1と下部
リターンプレナムチャンバ3とリターンシャフト4と上
部リターンプレナムチャンバ5はクリーンエアの循環経
路を構成している。
【0020】また、下部リターンプレナムチャンバ3に
は外調機6を通って外気が導入されるようになってい
る。外調機6は、外気から粒子やガス状の不純物を除去
するフィルタと、空気を所定の温度範囲に調節する温度
制御手段と、空気を所定の湿度範囲に調節する湿度制御
手段(いずれも図示せず)を備えており、調温調湿され
不純物を除去されたクリーンエアを下部リターンプレナ
ムチャンバ3に補給する。
【0021】下部リターンプレナムチャンバ3とリター
ンシャフト4との間には熱交換器7が設置されており、
下部リターンプレナムチャンバ3からリターンシャフト
4へ流通するクリーンエアはその全量がこの熱交換器7
を通過するようになっている。
【0022】この熱交換器7は、図3から図5に示すよ
うに、水入口ヘッダ7aと水出口ヘッダ7bを複数のコ
イル(ジャケット)7cで接続し、コイル7c間に多数
の平板状のフィン7dを架設して構成されている。コイ
ル7cは平面的に見ると図5に示すように蛇行してい
る。
【0023】この熱交換器7においては、熱媒体として
の水(以下、熱交換水と称す)が水入口ヘッダ7aから
コイル7cを通って水出口ヘッダ7bに流れ、コイル7
cの周囲を流れるクリーンエアとコイル7cの内部を流
れる熱交換水とがコイル7c及びフィン7dを介して熱
交換する。
【0024】この熱交換器7の構造は、従来からクリー
ンルームにおいては顕熱の除去専用に用いられている結
露防止型の熱交換器(コイルの表面温度をクリーンルー
ム室内の露点より高くして、コイルの表面に凝縮水を生
じさせないようにして用いる熱交換器)と同じである。
【0025】この熱交換器7には、熱交換水をコイル7
c内に供給する熱交換水供給装置10が接続されてい
る。熱交換水供給装置10は、熱交換水を熱交換器7に
圧送する熱交換水循環ポンプ11を備えており、熱交換
水循環ポンプ11から圧送された熱交換水の一部は熱交
換器7を通って熱交換水循環ポンプ11に戻り、他は熱
交換器7をバイパスして熱交換水循環ポンプ11に戻る
ように構成されている。
【0026】詳述すると、熱交換水循環ポンプ11から
流路21に圧送された熱交換水の一部は、熱交換器7の
水入口ヘッダ7aからコイル7cを流通し、水出口ヘッ
ダ7bから流路22を通り、第1制御弁12、流路2
3、常時開の手動弁13、流路24を通って熱交換水循
環ポンプ11の吸い込み側に戻る。
【0027】熱交換水循環ポンプ11から流路21に圧
送された残りの熱交換水は、流路21から分岐するバイ
パス流路25を通り、第1制御弁12を介して流路23
に流れ込み、熱交換器7を流通した熱交換水と合流し
て、常時開の手動弁13、流路24を通り熱交換水循環
ポンプ11の吸い込み側に戻る。
【0028】前記第1制御弁12は3つのポートを備え
た三方弁で構成されており、第1入口ポートが流路22
に接続され、第2入口ポートがバイパス流路25に接続
され、出口ポートが流路23に接続されていて、弁体
(図示せず)のポジションを調節することにより第1入
口ポートと第2入口ポートから流入する熱交換水の流入
量比を調節する制御弁である。
【0029】熱交換水循環ポンプ11と手動弁13とを
結ぶ流路24には、流路26が接続されており、この流
路26を介して、一定温度(5〜8°C程度)に制御さ
れた補給水を流路24に補給することができるようにな
っている。
【0030】第1制御弁12と手動弁13とを結ぶ流路
23には流路27が接続されており、この流路27を介
して、前記流路26からの補給により余剰となった熱交
換水を流路23から流出させることができるようになっ
ている。
【0031】流路27の途中には第2制御弁14が設け
られており、この第2制御弁14は、その開度調節によ
り流路27を流れる熱交換水の流量を調節し、結果的に
流路26から流路24に補給される補給水の流量を調節
する制御弁である。
【0032】前記第1制御弁12と第2制御弁14は、
熱交換器10の下流のリターンシャフト4内に設置され
た温度センサ(温度検出手段)30あるいは露点センサ
(湿度検出手段)32の検出値に基いて自動制御される
ように構成されている。
【0033】詳述すると、温度センサ30は熱交換器7
で処理されたクリーンエアの温度を検出し、この検出信
号が温度指示調節計31に伝送され、検出信号に基づい
て温度指示調節計31が第1制御弁12の弁体のポジシ
ョンを決定して、第1制御弁12の弁体ポジション調節
を行う。
【0034】また、露点センサ32は熱交換器7で処理
されたクリーンエアの露点を検出し、この検出信号が露
点指示調節計33に伝送され、検出信号に基づいて露点
指示調節計33が第2制御弁14の開度を決定して、第
2制御弁14の開度調節を行う。
【0035】熱交換器7のコイル7cには純水滴下装置
(純水供給装置)40によって純水が滴下されるように
なっている。純水滴下装置40は、熱交換器7の上方に
設置された滴下槽41と、熱交換器7の下方に設置され
た集水槽42と、集水槽42内の純水を滴下槽41にポ
ンプアップする純水ポンプ43と、純水から塵埃等を除
去するフィルタ44とを備えている。
【0036】図2に示すように、滴下槽41の底部には
多数の孔45が設けられている。孔45の寸法、数、穿
孔位置については、滴下槽41内の純水を各孔45を通
して最上段のコイル7cの頂面に滴下することができ、
且つ全てのコイル7cのほぼ全外表面に下降流の水膜を
形成することができるように設定されている。
【0037】この純水滴下装置40において、滴下槽4
1に貯留された純水は孔45から熱交換器7の最上段の
コイル7cに滴下され、最上段のコイル7cの外表面を
水膜となって下降し、さらに最上段のコイル7cからす
ぐ下段のコイル7cの頂面に滴下され、同様にして順次
下段のコイル7cの外表面を伝って流れ落ち、最終的に
集水槽42に落下し、純水ポンプ43でポンプアップさ
れ、流路47及びフィルタ44を通って滴下槽41に戻
る。
【0038】また、純水滴下装置40は、集水槽42内
の純水の純度を一定に保つために、純水製造プラント
(図示せず)から純度の高い純水を集水槽42に補給す
るための流路48と、集水槽42内の純水を純水製造プ
ラントに原水として送給するための流路49及び返送ポ
ンプ46を装備している。
【0039】尚、この実施の形態では、温度指示調節計
31と第1制御弁12が熱媒体供給量制御手段を構成
し、露点指示調節計33と第2制御弁14が熱媒体温度
制御手段を構成している。
【0040】次に、この空気調和装置の作用を説明す
る。前述したように、クリーンエアはクリーンルーム1
→下部リターンプレナムチャンバ3→リターンシャフト
4→上部リターンプレナムチャンバ5→クリーンルーム
1の順に循環している。
【0041】今、クリーンルーム1内での半導体メモリ
ー製造プロセスにおいて粒子やガス状の不純物が発生
し、この不純物がクリーンルーム1内に拡散し、クリー
ンエアとともに流れる場合を想定する。
【0042】クリーンエアは前記循環経路の途中におい
て熱交換器7を通過する。その際に、クリーンエアとコ
イル7cの内部を流れる熱交換水はコイル7c及びフィ
ン7dを介して熱交換を行い、クリーンエアは設定温度
に調温される。
【0043】また、熱交換器7のコイル7cの外表面に
は純水の水膜が形成されているので、この水膜に接触し
たクリーンエアは若干加湿される。さらに、前記純水の
水膜とクリーンエアの気液接触により、クリーンエアに
含まれる粒子やガス状の不純物が水膜に捕獲され、ある
いは溶解し、水膜とともにコイル7cを流れ落ちて集水
槽42に落下する。これによって、クリーンエアから粒
子やガス状の不純物が除去される。
【0044】集水槽42内には前記不純物を含んだ純水
が貯留されることになるが、集水槽42内の純水の一部
は流路49及び純水返送ポンプ46により純水製造プラ
ントに送られて処理され、これと同時に流路48から純
度の高い純水が集水槽42に補給されるので、集水槽4
2内の純水の純度は所定の純度範囲に保たれる。
【0045】また、この空気調和装置では、熱交換器7
のコイル7c内を流れる熱交換水の温度を、熱交換器7
を通過した後のクリーンエアの露点に基いて変化させる
とともに、熱交換水7のコイル7c内を流れる熱交換水
の流量を、熱交換器7を通過した後のクリーンエアの温
度に基いて変化させるようになっており、これによって
熱交換器7の交換容量、コイル7cの表面温度、及びコ
イル7cの表面に形成される純水の水膜の温度を制御す
る。
【0046】つまり、コイル7c表面に純水の水膜を形
成したことによるクリーンエアに対する加湿作用を、コ
イル7c内を流れる熱交換水の温度を変えることで相殺
するように制御する。これはミクロ的に言えば、コイル
7cの表面で除湿作用が起こり、この除湿分をコイル7
cの表面を流れる純水からの気化で補うようにするので
ある。
【0047】この実施の形態における具体的な制御方法
は次のとおりである。露点センサ32によりクリーンエ
アの露点の上昇が検出された時には、第2制御弁14の
開度を大きくするように動作させて熱交換水供給装置1
0に補給する熱交換水の補給量を多くして熱交換水の温
度を下げ、コイル7cの表面温度を露点よりも下げて除
湿作用を強くする。
【0048】これとは逆に、露点センサ32によりクリ
ーンエアの露点の下降が検出された時には、第2制御弁
14の開度を小さくするように動作させて熱交換水供給
装置10に補給する熱交換水の補給量を少なくすると、
結果的にクリーンルーム内に設置されている各種熱源に
より熱交換水の温度が上昇し、コイル7cの表面温度
露点よりも上って加湿作用強くる。
【0049】また、温度センサ30により検出されたク
リーンエアの温度に基づいて、第1制御弁12の弁体ポ
ジションを自動制御し、コイル7cを流れる熱交換水の
流量を変化させて、クリーンエアの温度を一定に保つ。
【0050】このようにして、クリーンエアの温度調節
と湿度調節のバランスをとっているので、クリーンルー
ム内の温度と湿度を一定に保つことができる。また、夏
季における加湿のし過ぎを防止することができる。
【0051】〔第2の実施の形態〕前述の第1の実施の
形態では熱交換器7のコイル7cの表面にだけ純水の水
膜を形成するようにしたが、第2の実施の形態では、熱
交換器7のフィン7dにも純水の水膜を形成する。
【0052】そのためには、純水滴下装置40の滴下槽
41に、各フィン7dの上端にも純水を滴下できるよう
に孔45を設ける。このようにすると、純水の水膜の表
面積を大きくすることができ、クリーンエアからの不純
物除去効率を上げることができる。
【0053】〔第3の実施の形態〕次に、図6を参照し
て本発明の空気調和装置の第3の実施の形態を説明す
る。第3の実施の形態の空気調和装置と第1の実施の形
態のものとの相違点は、熱交換器が3系列ある点と、
3系列の熱交換器7A,7B,7Cに熱交換水を供給
する熱交換水供給装置10の構成だけであり、その他の
構成は第1の実施の形態と同じである。
【0054】図6に示すように、第3の実施の形態の空
気調和装置における熱交換水供給装置10では、熱交換
水循環ポンプ18から流路21に圧送された熱交換水は
各熱交換器7A,7B,7Cの水入口ヘッダ(図示せ
ず)に供給され、各熱交換器7A,7B,7Cの水出口
ヘッダ(図示せず)から流路22,24を通って熱交換
水循環ポンプ18の吸い込み側に戻るようになってお
り、流路24には流路26を介して熱交換水を補給で
き、流路22から流路27を介して熱交換水を流路22
から流出させることができるようになっている。尚、図
6において符号19は開閉弁である。
【0055】流路27には第1の実施の形態のものと同
じように純水の補給水量を制御する第2制御弁14が設
けられている。熱交換水循環ポンプ18の駆動モータ
(図示せず)はモータ回転数を可変にするインバータを
装備しており、この駆動モータの回転数を温度センサ3
0の検出値に基づき温度指示調節計31を介して制御
し、熱交換水の流量を自動制御している。つまり、第3
の実施の形態では温度指示調節計31と熱交換水循環ポ
ンプ18が熱媒体供給量制御手段を構成する。
【0056】第3の実施の形態の空気調和装置における
作用は第1の実施の形態の場合と同じであるので説明は
省略する。
【0057】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の空気調和
装置によれば、クリーンエアの循環経路内に熱交換器を
設置し、この熱交換器のジャケット表面に純水滴下装置
により純水の水膜を形成してクリーンエアに含まれる粒
子やガス状の不純物を捕獲すると共に、所定の温度及び
湿度に調整された外気を外調機により循環経路に導入し
て補給する、クリーンエアに対して温度調節と湿度調
節と不純物除去を同時に行うことができるという優れた
効果が奏される。
【0058】しかも、本発明の空気調和装置は、このよ
うな機能を備えながら、構造が簡単で、メンテナンスも
容易で、低コストである。
【0059】また、本発明の空気調和装置では、クリー
ンエアの循環経路内に熱交換器を設置し、この熱交換器
のジャケット表面に純水滴下装置により純水の水膜を形
成すると共に、クリーンエアの循環経路内に湿度検出手
段と温度検出手段を設け、湿度検出手段の検出値に基づ
き実質的に熱媒体の補給量を調整して熱交換器に供給す
る熱媒体の温度を制御し、熱交換器の表面に形成される
水膜による加湿作用を相殺すると同時に、温度検出手段
の検出値に基づき実質的に熱交換器に供給する熱媒体の
供給量を調整してクリーンエアの温度を一定に保つよう
にしたことにより、クリーンエアの温度と湿度の調節を
バランスよく効率的に行うことが極めて簡単な構造で行
えるという優れた効果奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の空気調和装置の第1の実施の形態に
おける概略構成図である。
【図2】 本発明の空気調和装置の第1の実施の形態に
おける純水滴下装置の要部拡大図である。
【図3】 本発明の空気調和装置の第1の実施の形態に
おける熱交換器の正面図である。
【図4】 本発明の空気調和装置の第1の実施の形態に
おける熱交換器の右側面図である。
【図5】 本発明の空気調和装置の第1の実施の形態に
おける熱交換器の平面図である。
【図6】 本発明の空気調和装置の第3の実施の形態に
おける熱交換水供給装置の概略構成図である
【符号の説明】
1 クリーンルーム(クリーンエアの循環経路) 3 下部リターンプレナムチャンバ(クリーンエアの循
環経路) 4 リターンシャフト(クリーンエアの循環経路) 5 上部リターンプレナムチャンバ(クリーンエアの循
環経路) 7 熱交換器 7c コイル(ジャケット) 12 第1制御弁(熱媒体供給量制御手段) 14 第2制御弁(熱媒体温度制御手段) 18 熱交換水循環ポンプ(熱媒体供給量制御手段) 30 温度センサ(温度検出手段) 31 温度指示調節計(熱媒体供給量制御手段) 32 露点センサ(湿度検出手段) 33 露点指示調節計(熱媒体温度制御手段) 40 純水滴下装置(純水供給装置)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−57844(JP,A) 特開 平4−3828(JP,A) 特開 平5−44959(JP,A) 特開 平6−193911(JP,A) 特開 平5−288365(JP,A) 特開 平5−39932(JP,A) 特開 昭59−112139(JP,A) 特開 平4−166207(JP,A) 特開 平5−146627(JP,A) 特開 平7−83463(JP,A) 特開 平6−198123(JP,A) 実開 昭62−124420(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F24F 3/14 F24F 3/16 F24F 11/02 F24F 6/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クリーンエアの循環経路内に設置され、
    内部を熱媒体が流れるジャケットを有し、ジャケットを
    介してクリーンエアと熱媒体との間で熱交換が行われる
    熱交換器と、 前記熱交換器のジャケットの表面に純水を供給してジャ
    ケットの表面に下降流の純水の水膜を形成する純水滴下
    装置と、 前記循環経路内における前記熱交換器の下流に設けられ
    てクリーンエアの湿度を検出する湿度検出手段と、 この湿度検出手段の検出値に基づいて前記熱交換器に供
    給する熱媒体の温度を制御して前記熱交換器の前記ジャ
    ケット表面に形成される水膜による加湿作用を相殺する
    熱媒体温度制御手段と、 前記循環経路内における前記熱交換器の下流に設けられ
    てクリーンエアの温度を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段の検出値に基づいて前記熱交換器に供
    給する熱媒体の供給量を制御してクリーンエアの温度を
    一定に保つようにする熱媒体供給量制御手段と、 を備えていることを特徴とする空気調和装置。
  2. 【請求項2】 前記湿度検出手段が露点センサで構成さ
    れていることを特徴とする請求項に記載の空気調和装
    置。
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