JP4383459B2 - 汚染ガス除去空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に関し、高集積度半導体の生産ラインを設置するスーパークリーンルームにおける排気および循環空気の汚染ガスを除去する汚染ガス除去空気調和装置に関する。

この種の空気調和機としては、例えば図７に示すものがある。図７において、外気ＯＡは外気処理空気調和機１、顕熱冷却ユニット２を通り、給気流路３に流入し、天井面に設けたファン・フィルタユニット４を通ってクリーンルーム５に垂直層流で流入し、孔あき床６を通って還気流路７に流入し顕熱冷却ユニット２に循環する。還気流路７に流入する空気の一部は排気ブロア８により吸引されて、排気処理装置（スクラバー）９を通って系外へ流れ出る。

外気処理空気調和機１は、送風機１０によって外気ＯＡを吸い込んで顕熱冷却ユニット２に送気するものであり、プレフィルタ１１による粗塵除去と、中性能フィルタ１２による細塵除去と、予冷・予熱コイル１３による冷却もしくは加熱と、エアワッシャ１４による水溶性汚染ガス除去および加湿と、冷却コイル１５による冷却と、再熱コイル１６による加熱と、活性炭フィルタや吸着剤含浸マット等のケミカルフィルタ１７による非水溶性汚染ガス除去と、超高性能エアフィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）１８による微細塵除去とを行なうことにより、外気を適温、適湿の清浄空気として顕熱冷却ユニット２に供給する。

顕熱冷却ユニット２は、ファン・フィルタユニット４の送風機によって還気空気を吸い込んで空気を冷却するものである。ファン・フィルタユニット４は、クリーンルーム５の空気を循環させるとともに、クリーンルーム内で発生した塵埃や汚染ガスの除去を行なう。

上記した構成において、排気処理装置（スクラバー）９は、充填物２３における圧力損失が大きく、排気ブロア８による排気搬送動力が大きくなり、装置自体が高価である。ファン・フィルタユニット４に汚染ガス除去のためのケミカルフィルタを組み込んだ場合、ケミカルフィルタは、汚染ガスの除去性能が経時変化（劣化）し、その性能劣化の度合いを把握することが難しいので、劣化する以前に半年から１年毎に定期的に交換する必要ある。クリーンルーム５の内部においての交換作業は煩わしく、取り外したフィルタは有害成分を含むので廃棄処理を必要とする。

本発明は上記した課題を解決するものであり、排気の搬送動力が小さく、消費エネルギーが少なく、ケミカルフィルタの延命や削減を図ることができる汚染ガス除去空気調和装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の汚染ガス除去空気調和装置は、天井面にフィルタユニットを有し床面に孔あき床を有したクリーンルームの側部から天井上部に設けた給気流路と前記クリーンルームの床下に設けた還気流路との間で形成される循環路に配置される汚染ガス除去空気調和装置であって、還気流路に連通する空気入口を側部に有し給気流路に連通する空気出口を天井部に有して空気入口から空気出口に向かって空気流が生じる水噴霧室を形成する本体ケーシングと、空気入口から還気空気を吸い込んで空気を循環する送風機と、空気入口側に配置する最上流ワッシャメディアと、最上流ワッシャメディアより下流側の水噴霧室内に位置し、空気流とは逆方向に向けて最上流ワッシャメディアに達する噴霧水を発生させる噴霧ノズルと、空気出口側に位置し、噴霧ノズルの上方に配置する最下流ワッシャメディアと、最下流ワッシャメディアに向けて噴霧水を発生させる補給水ノズルを設けて補給水を供給する補給水供給系と、水噴霧室から流下する噴霧水を受け止める貯水槽と、貯水槽内の循環水を噴霧ノズルに循環供給する循環水供給系と、最上流ワッシャメディアの上流側に配置する冷却コイルと、最下流ワッシャメディアの下流側に配置する加熱コイルと、循環水供給系の循環水を冷却する熱交換器とを備え、冷却コイルによる顕熱の除去と熱交換器によって冷却した循環水の噴霧とによって入口空気と同じ絶対湿度を維持しながら飽和湿度となった空気を、加熱コイルで加熱して適値の相対湿度に低下させて送気することを特徴とする。

また、本発明の空気調和システムは、上記の汚染ガス除去空気調和装置と、クリーンルームの室外に配置される外気処理空気調和機とを備え、前記クリーンルームの床下の還気流路に外気処理空気調和機により処理された外気空気の取入口が設けられ、汚染ガス除去空気調和装置がクリーンルームの還気空気と外気空気とを合わせて取り入れて清浄化した空気をクリーンルームに給気することを特徴とする。

上記した構成により、汚染ガスを含む空気は、空気入口から本体ケーシングに流入し、冷却コイルによって顕熱を奪われて後に、最上流ワッシャメディアを通して水噴霧室に流入する。

この空気流に対し、その流れに対向するように噴霧ノズルから純水を噴霧する。噴霧水は空気中の塵埃や汚染ガスに衝突し、衝突した空気中の塵埃や汚染ガスが噴霧水とともに最上流ワッシャメディアに達し、最上流ワッシャメディアが汚染ガス、塵埃を伴った噴霧水を捕捉する。最上流ワッシャメディアでは、噴霧水が汚染ガスを取り込んで貯水槽へ流下する。

最上流ワッシャメディアに衝突しなかった噴霧水は、一部が水噴霧室の天井面、壁面または貯水面に衝突するが、それ以外は空気流に乗って移動し、空気中の塵埃や汚染ガスを取り込んで最下流ワッシャメディアに達し、最下流ワッシャメディアが塵埃や汚染ガスを伴った噴霧水を捕捉する。

最下流ワッシャメディアでは、噴霧水が最下流ワッシャメディアに付着した塵埃を洗い流して流下するとともに、汚染ガスを取り込んで貯水槽へ流下する。このエアワッシャの排水は、その不純物質含有量が水道水質基準以下のクリーン度であり、放流が可能である。

最下流ワッシャメディアを通過した飽和湿度の空気は、浄化して十分に加湿した清浄な空気として加熱コイルに導入し、加熱コイルによる加熱によって相対湿度を低下させる。
上記した構成を、半導体を生産するクリーンルームにおける循環空気の処理に使用する場合には、冷却した循環水を噴霧することにより、循環空気を加湿することなく、入口空気と同じ絶対湿度を維持しながら循環空気の顕熱を冷却し、汚染ガスを除去できる。

冷却コイルと加熱コイルとの間で熱媒体を循環することで、浄化後の空気の加熱は、汚染ガスを含む空気が当初に有していた顕熱を利用して行なうことができ、空気の冷却・加熱にポンプ動力以外のエネルギーを消費しない。この加熱により、エアワッシャ後の１００％飽和湿度の空気は、その湿度が相対湿度７０％程度になり、ケミカルフィルタの除去性能を低下させることがない。ケミカルフィルターにおける負荷が少ないので、ケミカルフィルターの延命を図ることができる。

以上述べたように、本発明によれば、冷却コイルと加熱コイルとの間で熱媒体を循環することで、エネルギーを消費せずに、浄化後の空気を、空気が当初に有していた顕熱を利用して行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、半導体工場のスーパークリーンルーム用の空調システムの構成を示すものであり、外気ＯＡは外気処理空気調和機５１、顕熱冷却ユニット５２を通り、給気流路５３に流入し、天井面に設けたフィルタユニット５４を通ってクリーンルーム５５に垂直層流で流入し、孔あき床５６を通って還気流路５７に流入し顕熱冷却ユニット５２に循環する。還気流路５７に流入する空気の一部は排気処理装置５８を通って系外へ流れ出る。

図２に示すように、外気処理空気調和機５１は、送風機６０によって外気ＯＡを吸い込んで顕熱冷却ユニット５２に送気するものであり、粗塵除去を行なうプレフィルタ６１と、細塵除去を行なう中性能フィルタ６２と、冷却もしくは加熱を行なう予冷・予熱コイル６３と、水溶性汚染ガス除去および加湿を行なうエアワッシャ６４と、冷却を行なう冷却コイル６５と、加熱を行なう再熱コイル６６と、活性炭フィルタや吸着剤含浸マット等からなり非水溶性汚染ガス除去を行なうケミカルフィルタ６７と、微細塵除去を行なう超高性能エアフィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）６８からなり、外気を適温、適湿の清浄空気として顕熱冷却ユニット５２に供給する。

図３に示すように、顕熱冷却ユニット５２は、還気空気ＲＡを吸い込んで空気を循環する送風機６９と、顕熱冷却を行なう冷却コイル７０と、汚染ガス除去を行なうエアワッシャ７１と、加熱を行なう加熱コイル７２とを備え、冷却コイル７０と加熱コイル７２との間に熱媒体としての冷・温水を循環させる循環配管７３および循環ポンプ７４を設けている。

エアワッシャ７１は、本体ケーシング７５の内部に形成した水噴霧室７６の空気入口７６ａに最上流ワッシャメディア７７を配置し、水噴霧室７６の最下流位置に最下流ワッシャメディア７８を配置している。各ワッシャメディア７７、７８は、ポリ塩化ビニルデン系繊維やステンレスの線材等からなり、たとえば２５ｍｍ〜５０ｍｍ程度の厚みを有するマット状のものである。

水噴霧室７６の内部には、後述する循環水供給系に連通する複数の第１段ノズル７９を最上流ワッシャメディア７７より下流側に配置するとともに、後述する補給水供給系に連通する複数の第２段ノズル８０を第１段ノズル７９とほぼ同じ位置に配置している。第１段ノズル７９は、空気流とは逆方向に向けて最上流ワッシャメディア７７に達する噴霧水を噴霧するものであり、第２段ノズル８０は、空気流と順方向に向けて最下流ワッシャメディア７８に噴霧水を噴霧するものである。

水噴霧室７６の下部には、流下する噴霧水を受け止める貯水槽８１が設けてあり、貯水槽８１に滞留する循環水を第１段ノズル７９に循環供給する循環水供給系８２が水噴霧室７６の下部に連通して設けてある。

循環水供給系８２は、貯水槽８１の下部に開口する吸込管８３と、吸込管８３に接続した循環ポンプ８４と、循環ポンプ８４の吐出口に接続して水噴霧室７６に配置した吐出管８５と、吐出管８５から分岐して水噴霧室７６に垂直方向に配設した複数の分岐管８６と、各分岐管８６に設けた複数の第１段ノズル７９と、循環水を冷却する熱交換器８７とからなる。

第２段ノズル８０に補給水として純水を供給する補給水供給系８８は、清浄水供給装置（図示せず）もしくは純水供給装置（図示せず）に接続して水噴霧室７６の上方に配置した給水管８９を有し、給水管８９に複数の第２段ノズル８０を設けている。

貯水槽８１には、オーバーフロー管(図示省略)と、予備の補給水として清浄水を供給する予備補給水供給管(図示省略)が連通している。
この構成により、還気空気ＲＡおよび外気ＯＡは、顕熱冷却ユニット５２の本体ケーシング７５に流入し、冷却コイル７０によって顕熱を奪われて後に、最上流ワッシャメディア７７を通して水噴霧室７６に流入する。

この空気流に対し、その流れに対向するように第１段ノズル７９から純水を噴霧する。噴霧水は空気中の塵埃や汚染ガスに衝突し、衝突した空気中の塵埃や汚染ガスが噴霧水とともに最上流ワッシャメディア７７に達し、最上流ワッシャメディア７７が汚染ガス、塵埃を伴った噴霧水を捕捉する。最上流ワッシャメディア７７では、噴霧水が汚染ガスを取り込んで貯水槽８１へ流下する。最上流ワッシャメディア７７に衝突しなかった噴霧水は、空気流に乗って移動し、空気中の塵埃や汚染ガスを取り込んで最下流ワッシャメディア７８に達し、最下流ワッシャメディア７８が塵埃や汚染ガスを伴った噴霧水を捕捉する。

この循環水供給系８２の循環水は、熱交換器８７において冷却しており、冷却した循環水を噴霧することにより、循環空気を加湿することなく、入口空気と同じ絶対湿度を維持しながら循環空気の顕熱を冷却し、汚染ガスを除去できる。

第２段ノズル８０から噴霧する噴霧水は、空気中の塵埃や汚染ガスに衝突し、衝突した空気中の塵埃や汚染ガスが噴霧水とともに最下流ワッシャメディア７８に達し、最下流ワッシャメディア７８が汚染ガス、塵埃を伴った噴霧水を捕捉する。最下流ワッシャメディア７８では、噴霧水が最下流ワッシャメディア７８に付着した塵埃を洗い流して流下するとともに、汚染ガスを取り込んで貯水槽８１へ流下する。最下流ワッシャメディア７８を通過した飽和湿度の空気は、浄化した清浄な空気として加熱コイル７２に導入して適値の相対湿度に低下させて後に送気する。

このとき、冷却コイル７０と加熱コイル７２との間で熱媒体を循環することで、浄化後の空気の加熱は、流入した空気が当初に有していた顕熱を利用して行なうことができ、空気の冷却・加熱にポンプ動力以外のエネルギーを消費しない。

図５は、上述した過程における空気の状態変化を示すもので、図５の（１）、（２）、（３）、（４）の各点は、図３に示す（１）、（２）、（３）、（４）の各点のそれぞれに対応する。
図４に示すように、排気処理装置５８は、送風機９１によって汚染ガスを含む排気ＥＡを排出するものであり、冷却を行なう冷却コイル９２と、水溶性汚染ガス除去および加湿を行なうエアワッシャ９３と、水滴を除去するエリミネータ９４と、加熱を行なう加熱コイル９５と、活性炭フィルタや吸着剤含浸マット等からなるケミカルフィルタ９６とを備え、循環空気を清浄空気として排出する。冷却コイル９２と加熱コイル９５との間に熱媒体としての冷・温水を循環させる循環配管９０および循環ポンプ９０ａを設けている。

エアワッシャ９３は、本体ケーシング９７の内部に形成した水噴霧室９８の空気入口９８ａに最上流ワッシャメディア９９を配置し、水噴霧室９８の空気出口９８ｂに最下流ワッシャメディア１００を配置している。各ワッシャメディア９９、１００は、ポリ塩化ビニルデン系繊維やステンレスの線材等からなり、たとえば２５ｍｍ〜５０ｍｍ程度の厚みを有するマット状のものである。

水噴霧室９８の内部には、後述する循環水供給系に連通する複数の第１段ノズル１０１を最上流ワッシャメディア９９より下流側に位置して配置するとともに、後述する補給水供給系に連通する複数の第２段ノズル１０２を第１段ノズル１０１とほぼ同じ位置に配置している。第１段ノズル１０１は、空気流とは逆方向に向けて最上流ワッシャメディア９９に達する噴霧水を噴霧するものであり、第２段ノズル１０２は、空気流と順方向に向けて最下流ワッシャメディア１００に噴霧水を噴霧するものである。

水噴霧室９８の下部には、流下する噴霧水を受け止める貯水槽１０３が設けてあり、貯水槽１０３に滞留する循環水を第１段ノズル１０１に循環供給する循環水供給系１０４が水噴霧室９８の下部に連通して設けてある。

循環水供給系１０４は、貯水槽９８の下部に開口する吸込管１０５と、吸込管１０５に接続した循環ポンプ１０６と、循環ポンプ１０６の吐出口に接続して水噴霧室９８に配置した吐出管１０７と、吐出管１０７から分岐して水噴霧室９８に垂直方向に配設した複数の分岐管１０８とからなり、各分岐管１０８に複数の第１段ノズル１０１を設けている。

第２段ノズル１０２に補給水として純水を供給する補給水供給系１０９は、清浄水供給装置（図示せず）もしくは純水供給装置（図示せず）に接続して水噴霧室９８の上方に配置した給水管１１０を有し、給水管１１０に複数の第２段ノズル１０２を設けている。貯水槽１０３には、オーバーフロー管（図示省略）と、予備の補給水として清浄水を供給する予備補給水供給管（図示省略）が連通している。

上記した構成における作用を説明する。排気ＥＡは、排気処理装置５８の本体ケーシング９７に流入し、冷却コイル９２によって顕熱を奪われて後に、空気入口９８ａから最上流ワッシャメディア９９を通して水噴霧室９８に流入する。

この空気流に対し、その流れに対向するように貯水槽１０３からの循環水を第１段ノズル１０１から噴霧する。噴霧水は空気中の塵埃や汚染ガスに衝突し、衝突した空気中の塵埃や汚染ガスが噴霧水とともに最上流ワッシャメディア９９に達し、最上流ワッシャメディア９９が塵埃や汚染ガスを伴った噴霧水を捕捉する。最上流ワッシャメディア９９では、噴霧水が最上流ワッシャメディア９９に付着した塵埃を洗い流して流下するとともに、汚染ガスを取り込んで貯水槽１０３へ流入する。最上流ワッシャメディア９９に衝突しなかった噴霧水は、空気流に乗って移動し、空気中の塵埃や汚染ガスを取り込んで最下流ワッシャメディア１００に達し、最下流ワッシャメディア１００が塵埃や汚染ガスを伴った噴霧水を捕捉する。

そして、水噴霧室９８の空気流に対して、清浄水もしくは純水を第２段ノズル１０２から噴霧すると、清浄水もしくは純水の噴霧水が空気中に残存する塵埃や汚染ガスとともに最下流ワッシャメディア１００に達し、最下流ワッシャメディア１００が塵埃や汚染ガスを伴った噴霧水を捕捉する。

最下流ワッシャメディア１００では、噴霧水が最下流ワッシャメディア１００に付着した塵埃を洗い流して流下するとともに、汚染ガスを取り込んで貯水槽１０３へ流入する。噴霧水は流下する過程において蒸発して空気を加湿する。貯水槽１０３へ流入した清浄水もしくは純水は、補給水として循環水に合流し、循環水供給系１０４を通って第１段ノズル１０１から循環水として噴霧する。

最下流ワッシャメディア１００を通過した１００％飽和湿度の空気は、浄化して十分に加湿した清浄な空気として加熱コイル９５に流入し、加熱によってケミカルフィルター９６のガス除去性能を低下させない適値の相対湿度（７０％程度）に低下させて後に、ケミカルフィルター９６に導き、ケミカルフィルター９６で非水溶性の汚染ガスを除去した後に、送風機９１を通って排気する。

このとき、冷却コイル９２と加熱コイル９５との間で熱媒体を循環することで、浄化後の空気の加熱は、流入した空気が当初に有していた顕熱を利用して行なうことができ、空気の冷却・加熱にポンプ動力以外のエネルギーを消費しない。
図６は、上述した過程における空気の状態変化を示すもので、図６の（１）、（２）、（３）、（４）の各点は、図４に示す（１）、（２）、（３）、（４）の各点のそれぞれに対応する。

循環水供給系に設けた熱交換器で循環水を冷却することにより、循環空気を加湿することなく、入口空気と同じ絶対湿度を維持しながら循環空気の顕熱を冷却し、汚染ガスを除去できるので、ケミカルフィルタの延命や削除が可能となる。

本発明の実施の形態を示す空気調和装置の平面図である。 同外気処理空気調和機の縦断面図である。 同顕熱冷却ユニットの作用を示す模式図である。 同排気処理装置の作用を示す模式図である。 同顕熱冷却ユニットにおける空気の状態変化を示す湿り空気線図である。 同排気処理装置における空気の状態変化を示す湿り空気線図である。 従来の空気調和装置の平面図である。

符号の説明

ＯＡ 外気
ＲＡ 還気空気
ＥＡ 排気
５１ 外気処理空気調和機
５２ 顕熱冷却ユニット
５５ クリーンルーム
５８ 排気処理装置
７０ 冷却コイル
７１ エアワッシャ
７２ 加熱コイル
７６ 水噴霧室
７６ａ 空気入口
７６ｂ 空気出口
７７ 最上流ワッシャメディア
７８ 最下流ワッシャメディア
７９ 第１段ノズル
８１ 貯水槽
８２ 循環水供給系
８７ 熱交換器
９２ 冷却コイル
９３ エアワッシャ
９５ 加熱コイル
９６ ケミカルフィルタ
９８ 水噴霧室
９８ａ 空気入口
９８ｂ 空気出口
９９ 最上流ワッシャメディア
１００ 最下流ワッシャメディア
１０１ 第１段ノズル
１０３ 貯水槽
１０４ 循環水供給系

Claims (2)

1. 天井面にフィルタユニットを有し床面に孔あき床を有したクリーンルームの側部から天井上部に設けた給気流路と前記クリーンルームの床下に設けた還気流路との間で形成される循環路に配置される汚染ガス除去空気調和装置であって、
   還気流路に連通する空気入口を側部に有し給気流路に連通する空気出口を天井部に有して空気入口から空気出口に向かって空気流が生じる水噴霧室を形成する本体ケーシングと、空気入口から還気空気を吸い込んで空気を循環する送風機と、空気入口側に配置する最上流ワッシャメディアと、最上流ワッシャメディアより下流側の水噴霧室内に位置し、空気流とは逆方向に向けて最上流ワッシャメディアに達する噴霧水を発生させる噴霧ノズルと、空気出口側に位置し、噴霧ノズルの上方に配置する最下流ワッシャメディアと、最下流ワッシャメディアに向けて噴霧水を発生させる補給水ノズルを設けて補給水を供給する補給水供給系と、水噴霧室から流下する噴霧水を受け止める貯水槽と、貯水槽内の循環水を噴霧ノズルに循環供給する循環水供給系と、最上流ワッシャメディアの上流側に配置する冷却コイルと、最下流ワッシャメディアの下流側に配置する加熱コイルと、循環水供給系の循環水を冷却する熱交換器とを備え、冷却コイルによる顕熱の除去と熱交換器によって冷却した循環水の噴霧とによって入口空気と同じ絶対湿度を維持しながら飽和湿度となった空気を、加熱コイルで加熱して適値の相対湿度に低下させて送気することを特徴とする汚染ガス除去空気調和装置。
2. 請求項１に記載の汚染ガス除去空気調和装置と、クリーンルームの室外に配置される外気処理空気調和機とを備え、前記クリーンルームの床下の還気流路に外気処理空気調和機により処理された外気空気の取入口が設けられ、汚染ガス除去空気調和装置がクリーンルームの還気空気と外気空気とを合わせて取り入れて清浄化した空気をクリーンルームに給気することを特徴とする空気調和システム。

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