JP4333598B2 - ファンフィルタユニット、ファンフィルタユニットシステムおよびクリーンルーム - Google Patents

Description

この発明は、半導体工場や薬品工場のクリーンルームなどに設置されるファンフィルタユニット（以下、ＦＦＵとも記す）、ＦＦＵシステムおよびこのＦＦＵを用いたクリーンルームに関する。

クリーンルームは、室内の空気を一定の清浄度に保つ必要があり、そのためにファンフィルタユニットの監視・制御が必要・不可欠である。
図１０にＦＦＵの監視・制御システム例を示す。このシステムでは、中央監視室に設けられた監視制御コンピュータＣＰは、イーサネットＥＮ1などの通信回線を介して分散制御を行なう制御装置ＰＬＣに接続されている。さらに、制御装置ＰＬＣは、イーサネット（登録商標）ＥＮ２，インターフェイスＩＦ１〜ＩＦ３ＦＦＵ通信ラインＬ１〜Ｌ３を介してクリーンルームＣＲ内のＦＦＵ装置群（エリア１，２，３…）と接続されている。
また、各ＦＦＵは、モータ・ファンＭＦと、このモータ・ファンＭＦを制御するためのコントローラＣＮから構成されている。
さらに、各ＦＦＵには、電源より動力盤ＰＷ、分電盤ＰＷ１〜ＰＷ３及び動力ラインＰＬ１〜ＰＬ３を介して電力が供給されている。

そして、監視制御コンピュータＣＰは、制御装置ＰＬＣを介して、ＦＦＵに対してクリーンルーム一括，エリアごと、または単体ごとの選択指令ができるように構成され、運転・停止，モータ・ファン回転速度（ＦＦＵの清浄吹出風速にほぼ比例）等の指令を出すことができる。また、ＦＦＵ側からは、制御装置ＰＬＣを介して、各モータの状態情報（運転・停止，故障，回転速度，運転電流値など）をリアルタイムで監視制御コンピュータＣＰへ返送する。
また、図示のように、ＦＦＵには各台ごとにコントローラＣＮが設けられ、これをＦＦＵ通信ラインＬ１〜Ｌ３に接続する構成であることから、ＦＦＵの総台数が数百台〜数千台を超すような大規模なクリーンルームＣＲでは、ＦＦＵ通信ラインＬ１〜Ｌ３とコントローラＣＮとの接続点数が多大となるため、次のような問題点が生じている。

１）コントローラＣＮの通信ラインＬ１〜Ｌ３への配線費用が膨大となる。
２）通信容量を増大させる必要が生じ、コストアップになる。
３）接続点数が多くなり、通信機能の信頼性が低下する。
４）監視制御側からの通信指令速度、およびＦＦＵ側からの状態情報返送速度が低下する。
また、動力盤ＰＷからエリアごとの分電盤ＰＷ１〜ＰＷ３を介する動力ラインＰＬ１〜ＰＬ３ごとに、ＦＦＵ対応のコントローラＣＮが接続される構成であるため、次のような問題も生じる。
５）動力ライン配線費用がかさむ。
そこで、例えば特許文献１に開示されている図１１のような技術がある。これは、並列接続された複数台のＤＣブラシレスモータＡ，Ｂを、共通の駆動回路（インバータ）で駆動するようにしたものである。
特開２００３−１１６２９３号公報（第４−５頁、図１）

駆動回路（インバータ）を複数台のモータで共用できるのでコストダウンはできるが、複数台のＤＣブラシレスモータを、共通の駆動回路（インバータ）で駆動する構成であるため、複数台のＤＣブラシレスモータの状態が異なる場合には、起動時のロータの位置あわせなどが複雑で、逆風が強い状態での起動がうまく行かないなどの不具合が想定される。
したがって、この発明の課題は、上記のような不具合を生じさせないようにし、大規模なＦＦＵ、ＦＦＵシステムおよびこのＦＦＵまたはＦＦＵシステムを用いたクリーンルームを安価に提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数設置されるファンフィルタユニットにそれぞれ設けられた各モータ・ファンの駆動回路は各モータ・ファンに対応してそれぞれ設け、外部電源に接続され、前記駆動回路に電力を供給する整流回路、および監視制御装置に接続され、該監視制御装置からの指令に基づいて前記モータ・ファンの運転停止・速度設定・異常処理を行なう運転制御回路は複数の前記駆動回路に対して共通に設け、複数の前記駆動回路、共通の前記整流回路および前記運転制御回路を複数設置されるファンフィルタユニットのうちの所定のファンフィルタユニットに搭載し、他のファンフィルタユニットに設けられたモータ・ファンには、該モータ・ファンに対応する前記駆動回路からそれぞれモータケーブルを介して給電することを特徴とする。
また、請求項４の発明では、１つのファンフィルタユニット内に複数のモータ・ファンを設け、各モータ・ファンの駆動回路は、該ファンフィルタユニット内に各モータ・ファンに対応してそれぞれ設け、外部電源に接続され、前記駆動回路に電力を供給する整流回路、および監視制御装置に接続され、該監視制御装置からの指令に基づいて前記モータ・ファンの運転停止・速度設定・異常処理を行なう運転制御回路は、該ファンフィルタユニット内に複数の前記駆動回路に対して共通に設けることを特徴とする。
さらに、請求項７の発明では、クリーンルーム内に請求項１記載のファンフィルタユニットシステムを多数設置し、各ファンフィルタユニットシステム内の所定のファンフィルタユニットに搭載された各整流回路は、共通の動力ラインを介して外部電源に接続し、各運転制御回路は，共通の通信ラインを介して監視制御装置に接続することを特徴とする。

上記請求項１、４の発明においては、前記整流回路と前記運転制御回路を共通基板に搭載することにより一体化構成とすることができ（請求項２、５の発明）、この請求項２、５の発明においては、前記駆動回路も加えて共通基板に搭載することにより一体化構成とすることができる（請求項３、６の発明）。

この発明によれば、下記のような効果を有するＦＦＵ、ＦＦＵシステムおよびクリーンルームを提供することができる。
１）大規模（使用台数が多い）でありながら低コストに提供できる。この効果は使用台数が多い程顕著となる。
２）通信監視システムの信頼性が向上する。
３）通信監視システムにおける通信の高速化が可能となる。
４）他のファンの影響で風圧が掛かっている状態でも、安定に制御できる。
５）故障した場合、故障したモータだけを止めてメンテナンスができる。
６）小型，省スペース化が可能となる。

図１はこの発明の第一の実施形態を示す構成図である。図示のように、１台のＦＦＵ内に３台のモータを設置する場合には、整流回路部２１と運転制御回路２２は共通に１組設け、インバータ部２３Ａ〜２３Ｃ、モータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃや電流，温度の検出部２５Ａ〜２５Ｃは各モータ毎に３組設け、これを１つのコントローラ２として構成される。運転制御回路２２は、速度設定回路２２１、運転停止回路２２２、異常処理回路２２３を有する構成であり、図１０に示したＦＦＵ通信ラインＬに接続される。なお、１は交流電源、３Ａ〜３Ｃは同期モータ、４Ａ〜４Ｃは負荷であり、負荷としてはＦＦＵのファンを想定している。
このような構成により、交流電源１の交流電圧は整流回路部２１で整流平滑され、その直流電圧がインバータ部２３Ａ〜２３Ｃに供給される。運転制御回路２２は速度の設定、運転停止、異常状態の監視等を行い、その結果に応じた運転指令を出力する。すなわち、速度設定回路２２１で設定されている回転速度の設定値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃをモータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃに出力する。モータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃは、この設定値に応じてインバータ部２３Ａ〜２３Ｃを制御し、モータ３Ａ〜３Ｃを駆動する。また、モータ３Ａ〜３Ｃの電流，温度は検出部２５Ａ〜２５Ｃで検出されて異常処理回路２２３に出力される。異常処理回路２２３は、温度、電流が異常であること判断すると、ＦＦＵ通信ラインを介して監視制御コンピュータに異常通報を行うとともに、運転停止回路２２２に異常信号を出力する。運転停止回路２２２は異常信号を受けると速度設定回路２２１に対して異常停止指令を出力する。速度設定回路２２１は、異常停止指令を受けると、異常のモータの運転を停止させるために、モータを停止させるための指令を異常のモータに対応するモータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃに出力して異常のモータを停止させる。なお、異常のモータの停止は、異常通報を受けた監視制御コンピュータからの指令によって行っても良い。

以上のように構成することにより、３台のモータ３Ａ〜３Ｃを駆動するための電源の配線は、交流電源１からコントローラ２へのＵ，Ｖ，Ｗ相の配線１組だけで済むので、外部配線の数が減り、安価に構成できる。この効果は、コントローラ数を増やす場合ほど顕著となる。また、コントローラ内部では、整流回路部２１および運転制御回路２２を１組しか必要としないため、コントローラを小型，安価に作製することができる。さらに、インバータ部２３Ａ〜２３Ｃの電流、温度は個別に検出しているため、不良や誤動作等で、モータ３Ａ〜３Ｃのどれか１つに異常が発生した場合でも、そのことを検出して該当モータだけを停止させることができ、保守を行なう場合でも全体に与える影響を小さくできる。
さらに、インバータ部２３Ａ〜２３Ｃがモータ対応に設けられているため、モータが逆風により逆転で回されている状態、すなわち空転からでも十分な加速トルクを発揮でき、問題なく加速することができる。つまり、図１のようにインバータ部２３Ａ〜２３Ｃがモータ毎に設けられている場合に、モータが空転している状態から確実に起動するには、例えば特開２００２−２７２１９８号公報に示すように、速度極性を検出する速度極性検出器と、速度絶対値を演算する速度絶対値演算器と、速度極性と速度絶対値とから回転子の空転速度を推定する乗算器と、回転子の空転速度から磁極位置を推定する位置推定器とを用いる方法を採用すれば良い。

なお、図１ではモータが３台の場合を示したが、モータの台数には３台に制限されるものではなく、様々な条件を考慮して２台または４台、もしくはそれ以上設けることができる。また、運転制御回路２２の速度設定回路２２１の出力ｓａ，ｓｂ，ｓｃは、同じ値または異なる値に設定して運転することができる。さらには、整流回路部２１、運転制御回路２２、インバータ部２３Ａ〜２３Ｃ、モータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃ、モータ電流・温度検出部２５Ａ〜２５Ｃを共通のプリント基板等に搭載することによりコントローラ２を１体に形成することができ、低コスト化が図られ、取り扱いを容易にすることができる。
図２は、この発明の第２の実施形態を示す構成図であり、図１の構成の変形例である。
図２の構成は、モータとしてＤＣブラシレスモータを想定した例であり、位置検出器５Ａ〜５Ｃが設けられている。この位置検出器５Ａ〜５Ｃからの位置信号をモータ制御回路２４Ａ〜２４Ｃに出力することにより、低速や逆風により逆転で回されている場合でも、十分な加速トルクを発揮でき、問題なく加速できるようにしたものである。図２において、位置検出器５Ａ〜５Ｃを設けた以外の構成は図１と同じであるので説明は省略する。

図３は、この発明の第３の実施形態を示す構成図であり、図１の構成の変形例である。
図３の構成は、図１に対しノイズフィルタ６を付加したもので、ＦＦＵの近傍に設置される制御機器に対するノイズを低減するものである。その場合、３台のモータに対して１組のノイズフィルタ６で済むため、コントローラを小型，安価に構成することができる。
図４は、この発明の第４の実施形態を示す構成図であり、図３の構成の変形例である。
図４の構成は、図３のＦＦＵ通信ラインとして、シリアル通信ラインＳＬを用いたものである。このシリアル通信ラインＳＬに接続されるシリアル通信回路７が各ＦＦＵに設けられる。シリアル通信ラインＳＬとしては、ＲＳ４８５やＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などを用いることができる。この場合、３台のモータに対して１個のシリアル通信回路７で良く、配線が簡素化される。一般に、この部分の配線はＦＦＵを現場（クリーンルーム）に設置後、コネクタやネジ端子などを使用して行なわれるが、現場で配線されるため誤配線や接続間違いが生じやすい。このような作業が従来は３箇所必要であったのが１箇所で済むため、誤配線の確率が減少し配線の信頼性が向上する。

なお、シリアル通信を行なう場合、通信点数の増加に伴って通信速度が遅くなる。台数が数千にもおよぶ場合、監視制御用のコンピュータが全数をチェックするのに、従来の運転制御回路を３組使う方法に対して、この発明は１組しか使わないので、従来の約１／３に時間を短縮することができる。
以上では、コントローラとして一体に構成する例について説明したが、ＦＦＵ内のそれぞれの構造を同一にして標準化を図った方が、組立てや設置を簡単かつ安価にできる場合もある。
図５は、この発明の第５の実施態様の構成図であり、ＦＦＵ内のそれぞれの構造を同一にして標準化を図ったものである。
これは、コントローラ２内の共通に設けられるノイズフィルタ６，整流回路部21および運転制御回路部２２をまとめて整流・操作ブロック１０としたものであり、また、各ファン・モータ毎に設けられるインバータ部２３Ａ〜２３Ｃ，その制御回路２４Ａ〜２４Ｃおよび電流・温度検出部２５Ａ〜２５Ｃをまとめてモータ駆動ブロック１１Ａ〜１１Ｃとしたものである。

このように、共通に設けられるものと、モータ毎に設けられるものとを、それぞれブロックにして分ける構成により、ファン・モータの台数に対応した数のモータ駆動ブロックを取付けてＦＦＵを構成できる。したがって、例えば全て同じ寸法のＦＦＵ筐体を構成しておき、必要とされるファン・モータ台数に応じてモータ駆動ブロックを取り付けてＦＦＵを構成することにより、同じ寸法のＦＦＵ筐体であるため設置，取り扱いが簡単になる。
なお、以上の実施例では、電源として３相の交流電源を想定したが、１相(単相)としても同様の効果を期待することができる。
図６は、３台のＦＦＵを同時に運転制御する方式の基本構成例を示している。図６（ａ）は平面図、同（ｂ）は親機の断面図を示す。

図６（ａ）のように、コントローラＣＮを持つ親機ＦＦＵ−Ａと２台の子機ＦＦＵ−Ｂ，Ｃとから構成される。親機ＦＦＵ−Ａのモータ・ファンＭＦはネジ端子ＣＯ（またはコネクタ）、モータケーブルＡを介して親機に設けられているコントローラＣＮに接続されており、コントローラＣＮによって制御されながら運転される。同様に、子機ＦＦＵ−Ｂ，Ｃのモータ・ファンＭＦ、ＭＦもネジ端子（またはコネクタ）、モータケーブルＢ、Ｃを介して親機に設けられているコントローラＣＮに接続されており、コントローラＣＮによって制御されながら運転される。また、図６（ｂ）のように、コントローラＣＮのボックスＢＸは、ＦＦＵ筐体Ｋの上部に取付けられる。また、ＦＦＵ筐体Ｋの下部には高性能フィルタＦＬが設けられており、ファンＦがモータＭより駆動されると、上部から吸込まれた吸込気流が高性能フィルタＦＬを介して下部に清浄気流として排出されるように構成されている。

子機の構成は、コントローラＢＯＸが設けられていない点が親機と相違しているだけである。
このような構成のＦＦＵを複数群有するクリーンルームの監視制御システム例を図７に、また、ＦＦＵのクリーンルームへの設置例を図８に示す。図８において、（ａ）はクリーンルームＣＲの平面図、（ｂ）はクリーンルームＣＲの断面図である。
図７は、３台のＦＦＵに対して共通のコントローラＣＮが設けられており、ＦＦＵ通信ラインＬ１〜Ｌ３と動力ラインＰＬ１〜ＰＬ３は共通の各コントローラＣＮに接続されているので、省配線化されている様子が分かる。また、図８はエリア１〜３内にそれぞれ３×１２台のＦＦＵを配置した場合の例であり、図８（ａ）に示すように、ＦＦＵ通信ラインＬ１〜Ｌ３と動力ラインＰＬ１〜ＰＬ３とを図示のように配線することにより、省配線化されている様子が分かる。

また、クリーンルームＣＲは、図８（ｂ）の断面図に示すように、３×１２台のＦＦＵが上部に配置され、各ＦＦＵの高性能フィルタＦＬを介した清浄気流が、グレーチング（アクセス）フロア、冷却コイルＣＣ、ケミカルフィルタＣＦを介して循環し、各ＦＦＵに戻るように構成されている。
なお、親機も子機もＦＦＵ内に設置されるモータ・ファンを１台としたが、モータ・ファンを複数台設けることによりＦＦＵの大型化を図ることができる。
図９は、この発明の第６の実施形態を示す構成図である。図９は、1台のＦＦＵ内に４台のモータ・ファンを設置した例を示している。図９（ａ）は平面図、同（ｂ）は断面図を示す。図９においては、１台のＦＦＵ内に４台のモータ・ファンＭＦを設置し、各モータ・ファンＭＦをモータケーブルＡを介して図１に示すようなコントローラＣＮ（但し、インバータ部４個）に接続し、制御するようにしている。

図７，図８の例において、例えば３台のＦＦＵが１組で運転されている場合に、何れか１組のＦＦＵに対して停止命令が監視制御側から与えられた場合、該当ＦＦＵ３台は運転を停止した時刻から同一エリア内で稼動している他のＦＦＵにより生じている逆圧（循環気流の経路圧力損失：フロアＦＬ，冷却コイルＣＣ，ケミカルフィルタＣＦ，ダクトベース等の通過損失合計値）によって、モータ・ファンが逆転する力を受けることがある。この負圧値はクリーンルームの構成によって異なるが、１００Ｐａを超えることもあり、逆転の回転数は正回転数（運転回転数）の１／３から１／２に達することがある。
以上のような状態で監視制御側から運転指令が与えられた場合、３台のＦＦＵは指令時刻から同時に、逆回転から正回転へと動作を開始しなければならない。このとき、所定の運転回転数に到達するまでの所要時間は、一般に６０秒以内であることが要求される。このような要求に対し、この発明では図２のように構成することで十分に対応できるようになっており、逆圧１７５Ｐａ時に所要時間約４０秒で実現できることが実験的に確かめられている。

この発明の第１の実施形態を示す構成図 この発明の第２の実施形態を示す構成図 この発明の第３の実施形態を示す構成図 この発明の第４の実施形態を示す構成図 この発明の第５の実施形態を示す構成図 ＦＦＵの運転制御の基本構成例を示す構成図 ＦＦＵの監視制御システム例を示す構成図 クリーンルームへのＦＦＵ設置例を示す構成図 この発明の第６の実施形態を示す構成図 ＦＦＵの監視制御システムの従来例を示す構成図 モータ制御の従来例を示す構成図

符号の説明

１…電源、２、ＣＮ…コントローラ、２１…整流回路部、２２…運転制御回路、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…インバータ部、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…モータ制御回路、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ…モータ電流・温度検出部、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…モータ、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…負荷、５…位置検出器、６…ノイズフィルタ、７…シリアル通信回路、１０…整流・操作ブロック、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…モータ駆動ブロック。

Claims (7)

1. 複数設置されるファンフィルタユニットにそれぞれ設けられた各モータ・ファンの駆動回路は各モータ・ファンに対応してそれぞれ設け、外部電源に接続され、前記駆動回路に電力を供給する整流回路、および監視制御装置に接続され、該監視制御装置からの指令に基づいて前記モータ・ファンの運転停止・速度設定・異常処理を行なう運転制御回路は複数の前記駆動回路に対して共通に設け、
   複数の前記駆動回路、共通の前記整流回路および前記運転制御回路を複数設置されるファンフィルタユニットのうちの所定のファンフィルタユニットに搭載し、他のファンフィルタユニットに設けられたモータ・ファンには、該モータ・ファンに対応する前記駆動回路からそれぞれモータケーブルを介して給電することを特徴とするファンフィルタユニットシステム。
2. 前記整流回路と前記運転制御回路を共通基板に搭載することにより一体化構成としたことを特徴とする請求項１に記載のファンフィルタユニットシステム。
3. 前記駆動回路も加えて共通基板に搭載することにより一体化構成としたことを特徴とする請求項２に記載のファンフィルタユニットシステム。
4. １つのファンフィルタユニット内に複数のモータ・ファンを設け、各モータ・ファンの駆動回路は、該ファンフィルタユニット内に各モータ・ファンに対応してそれぞれ設け、外部電源に接続され、前記駆動回路に電力を供給する整流回路、および監視制御装置に接続され、該監視制御装置からの指令に基づいて前記モータ・ファンの運転停止・速度設定・異常処理を行なう運転制御回路は、該ファンフィルタユニット内に複数の前記駆動回路に対して共通に設けることを特徴とするファンフィルタユニット。
5. 前記整流回路と前記運転制御回路を共通基板に搭載することにより一体化構成としたことを特徴とする請求項４に記載のファンフィルタユニット。
6. 前記駆動回路も加えて共通基板に搭載することにより一体化構成としたことを特徴とする請求項５に記載のファンフィルタユニット。
7. クリーンルーム内に請求項１記載のファンフィルタユニットシステムを多数設置し、各ファンフィルタユニットシステム内の所定のファンフィルタユニットに搭載された各整流回路は、共通の動力ラインを介して外部電源に接続し、各運転制御回路は、共通の通信ラインを介して監視制御装置に接続することを特徴とするクリーンルーム。