JP4492504B2 - 精密温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は精密温度制御装置に係り、特に精密品を処理、加工又は検査するための精密温度制御装置に関する。

近年の半導体など精密品の製造分野では部品の処理、加工精度がナノメートルオーダのレベルに達している。したがって、これらの精密品を処理、加工又は検査するための環境条件も厳密さが要求される傾向にある。環境中の微細塵埃を極限まで除去する設備としてはクリーンルームが周知であるが、精密品の中には環境温度の変動によって処理、加工又は検査の精度が低下するものがある。このため、このような精密品を処理、加工又は検査するための恒温室の温度変動を±０．０１〜０．００１℃に抑えるようにした精密温度制御装置のニーズが高まっている。

特許文献１や特許文献２にはこの種の精密温度制御装置とその温度制御技術が開示されている。この種の精密温度制御装置では、通常、恒温室内の代表点に温度センサを配置し、この温度センサで検出される代表点の温度が設定値となるように空気調和装置をフィードバック制御していた。
特開２００４−１２５３４４号公報 特開２００５−９８５８９号公報

しかしながら、恒温室内には床、天井、側壁から外熱が侵入し、また、室内に設置された精密品を処理、加工又は検査するための機器からは内部熱が発生する。そして、これらの外熱や内部発生熱によって恒温室内に弱い熱対流が生じる。したがって、温度センサで検出される代表点の温度が設定値となるように精密に温度制御しても、代表点以外の空間の温度が設定値からずれる場合がある。このため、従来の精密温度制御装置はいまひとつ信頼性に欠けるという問題点があった。

このような問題点は、恒温室の広い空間の中でも特に対象となる精密品が実際に処理、加工又は検査を受ける局所空間（以下、ターゲット空間という）に制御用の温度センサを配置すればある程度改善できる。しかしながら、ターゲット空間も一定の広がりをもった空間であるため、温度センサを配置したターゲット空間内の代表点の温度が設定値となるように温度制御しても、ターゲット空間全体の温度を設定値に維持できる保証はない。また、ターゲット空間内の代表点の温度を常に設定値に維持することも容易ではない。
本発明の目的は上記従来技術の問題点を改善し、ターゲット空間の温度変動を最小限に抑えることができる精密温度制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る精密温度制御装置は、吹出し側壁面から吹出した恒温空気ａを相対向して配置された吸込み側壁面から吸込むようにした恒温室と、前記恒温空気ａよりも気流速度が大きい恒温空気ｂを恒温室内のターゲット空間に向けて吹出すとともに、当該恒温空気ｂの気流方向が前記恒温空気ａの気流方向と一致するように前記恒温室内に配置された吹出しユニットとを具備したことを特徴とする。

上記構成の精密温度制御装置は、前記恒温空気ａの気流速度が０．１〜０．２ｍ／ｓｅｃ、前記恒温空気ｂの気流速度が０．４〜０．８ｍ／ｓｅｃに制御されたことが望ましい。また、前記恒温空気ｂの下流側には、前記吹出しユニットとの間で前記ターゲット空間を挟む通気性の気流制御部材が配置されたことが望ましい。また、前記吹出しユニットは空気調和手段から供給された調和空気を蓄熱体、整流体の順序で通過させた後に、前記恒温空気ｂとして吹出す構成とされたことが望ましい。また、前記恒温室が空気調和された空間内に設置されたことが望ましい。

本発明によれば、吹出しユニットから吹出す恒温空気ｂの気流速度を吹出し側壁面から吹出した恒温空気ａよりも大きくするとともに、恒温空気ｂの気流方向を恒温空気ａの気流方向に一致させたので、恒温空気ｂは恒温空気ａに対して平行な流れとなり、互いに交錯することがない。このため、ターゲット空間内では恒温空気ｂによって高度な温度環境が維持される。

また、前記恒温空気ｂの下流側にターゲット空間を挟むようにして通気性の気流制御部材を配置すると、ターゲット空間内では恒温空気ｂによる安定なサイドフローが形成され、設定温度に対する温度変動が±０．００１℃レベルのより一層、高度な温度環境が維持される。

また、上記構成の吹出しユニットでは、流入した調和空気を蓄熱体と整流体に通過させることによって精密に温度調整、かつ整流された状態で恒温空気ｂとしてターゲット空間に向けて吹出すことができる。
また、恒温室を空気調和された空間内に設置し、当該空気調和された空間と恒温室とを同温度に管理すると、恒温室に対する外熱の侵入が大幅に低減する。このため、恒温室内の温度制御、ひいてはターゲット空間での温度制御に対して外乱要素が低減し、精密温度制御装置の信頼性が向上する。

図１は本発明に係る精密温度制御装置の実施形態を示した装置構成図である。図１において恒温室１０は平断面図として表示されており、恒温室１０内には精密品を処理、加工又は検査するための機器１２が配置されている。恒温室１０には吹出し側壁面１４と吸込み側壁面１６が相対向して配置され、吹出し側壁面１４から吹出した恒温空気ａを吸込み側壁面１６から吸込むようにされている。

すなわち、吹出し側壁面１４には恒温空気ａを恒温室１０内に面状に供給するための吹出しパネル１８が装備され、吸込み側壁面１６には恒温室１０内の空気を面状に吸気する吸込みパネル２０が装備されている。吸込みパネル２０から吸気された空気は吸気ダクト２２を介して空気調和装置２４に取り込まれる。空気調和装置２４にはファン２６、冷却器２８、一次加熱器３０が組み込まれている。空気調和装置２４内のファン２６によって取り込まれた空気はまず冷却器２８によって所定の露点温度にまで冷却された後に、一次加熱器３０によって一次加熱される。一次加熱後の空調空気は給気ダクト３２の途中に設けられた二次加熱器３４によって再加熱された後に恒温空気として吹出しパネル１８に送り込まれる。吹出しパネル１８には温度センサ３６が配置されており、この温度センサ３６からの温度情報に基づき、二次加熱器３４の加熱量がコントローラ３８によって精密に制御される。その結果、吹出しパネル１８から吹出される恒温空気ａは設定温度（例えば２３℃）に対して±０．０１程度に精密に温度調整され、サイドフロー（水平流）状態で流れる。このサイドフローの恒温空気ａは相対向して配置された吸込み側壁面１６の吸込みパネル２０から再び吸気され、循環利用される。恒温空気ａの循環を継続することにより、恒温室１０内は設定温度に制御された環境に維持される。

しかしながら、前記したように恒温室１０内には床、天井、側壁から外熱が侵入し、また、室内に設置された精密品を処理、加工又は検査するための機器１２からは内部熱が発生する。そして、これらの外熱や内部発生熱によって恒温室１０内に弱い熱対流が生じる。したがって、温度センサ３６で検出される温度が設定値となるように精密に温度制御しても、恒温室１０内の各所空間の温度が設定値からずれる場合がある。このような理由によって対象となる精密品が実際に処理、加工又は検査を受ける局所空間であるターゲット空間４０の環境温度が所望の設定値からずれると、恒温室１０としての機能が低下することになる。

そこで、本実施形態の恒温室１０内に恒温空気ｂを吹出す吹出しユニット４２と通気性の気流制御部材４４を相対向して配置した構成とされている。ターゲット空間４０を挟んで吹出しユニット４２は吹出し側壁面１４側に、気流制御部材４４は吸込み側壁面１６側に配置される。吹出しユニット４２は空気調和装置２４出口の給気ダクト３２から分岐させ分岐ダクト４６と接続しており、分岐ダクト４６には吹出しユニット４２用の二次加熱器４８が設けられている。吹出しユニット４２には温度センサ５０が配置されており、この温度センサ５０からの温度情報に基づき、二次加熱器４８の加熱量がコントローラ５２によって精密に制御される。その結果、吹出しユニット４２から吹出される恒温空気ｂは設定温度に対して±０．００１℃レベルに精密に温度調整され、サイドフローの状態で気流制御部材４４に向けて流れる。

吹出しユニット４２はターゲット空間４０に対して吹出し側壁面１４側に配置されているので、吹出しユニット４２からターゲット空間４０に向けて吹出す恒温空気ｂの気流方向と、吹出し側壁面１４から室内に吹出す恒温空気ａの気流方向は一致する。このため、恒温空気ｂは恒温空気ａに対して平行な流れとなり、互いに交錯することがなく安定なサイドフローを形成する。

図２は吹出しユニット４２の詳細構造を示す側断面図である。吹出しユニット４２のケーシング６０はターゲット空間４０の広さに対応するために、分岐ダクト４６に対して幅、高さとも十分に拡大した寸法、形状とされている。ケーシング６０内には恒温空気の上流側から下流側に向けて蓄熱体５４、整流体５６、吹出し面５８が設けられている。蓄熱体５４は熱容量が大きな通気性の部材で形成されており、分岐ダクト４６から流入する調和空気によって蓄熱され、設定温度（例えば２３℃）を維持している。このため、コントローラ５２によって制御され吹出しユニット４２に流入する調和空気が制御誤差によって温度変動する場合でも、当該蓄熱体５４を通過する過程で蓄熱体５４の保有熱と熱交換し、設定温度に精密に調整される。整流体５６は３００メッシュ程度の網状部材で形成されており、その通気抵抗によって分岐ダクト４６から流入する調和空気の流れを均一化する。吹出し面５８は例えば開口率が７０％程度のパンチング板で形成され、ターゲット空間４０の広さに対応した十分な面積を有している。

上記構成の吹出しユニット４２によれば、分岐ダクト４６から流入した調和空気は蓄熱体５４と整流体５６とを通過することによって、精密に温度調整、かつ整流された状態で吹出し面５８から恒温空気ｂとしてターゲット空間４０に向けて水平方向に吹出される。

上記構成の恒温室１０では、吹出し側壁面１４から吸込み側壁面１６に向けて室内に流れる恒温空気ａの気流速度が０．１〜０．２ｍ／ｓｅｃ、好ましくは０．１５ｍ／ｓｅｃ程度に制御される。恒温空気ａの気流速度を０．２ｍ／ｓｅｃ以上にすると、恒温空気ａの循環量が多くなり空気調和装置の設備費や動力費が大きく不経済な運転になる。また、恒温空気ａの気流速度が０．１ｍ／ｓｅｃ未満であると、安定なサイドフローの形成が困難となり、恒温室１０内の全体的な温度分布が不安定になる。

一方、吹出しユニット４２から気流制御部材４４に向けてターゲット空間４０に流す恒温空気ｂの気流速度は０．４〜０．８ｍ／ｓｅｃ、好ましくは０．６ｍ／ｓｅｃ程度に制御される。恒温空気ｂの気流速度を０．８ｍ／ｓｅｃ以上にするとターゲット空間４０での気流が乱流状態に近づき、精密品の処理、加工又は検査に悪影響を与える場合がある。また、恒温空気ａの気流速度が０．４ｍ／ｓｅｃ未満であると、ターゲット空間４０での恒温空気ｂによるサイドフローの形成が不安定になる。

図３は気流制御部材４４の作用を示す説明図である。この気流制御部材４４は、吹出しユニット４２から吹出される恒温空気ｂの下流側にターゲット空間４０を挟むように、かつ、恒温空気ｂの気流方向に対して直角に配置される。気流制御部材４４は通気性があるが通気抵抗が比較的大きい部材、例えば開口率が４０％程度のパンチング板が用いられ、ターゲット空間４０の広さに対応した十分な面積を有している。この気流制御部材４４の存在によって、吹出しユニット４２から吹出された恒温空気ｂはターゲット空間４０を流れる過程で徐々にターゲット空間４０外に恒温空気ｄとして流れ、恒温空気ｂの内、量的に３〜４分の１程度の恒温空気ｃが気流制御部材４４を通過する。このため、ターゲット空間４０内では恒温空気ｂによる安定なサイドフローが形成され、設定温度に対する温度変動が±０．００１℃レベルの高度な温度環境が維持される。また、気流制御部材４４を通過した恒温空気ｃの気流速度は、吹出し側壁面１４から吸込み側壁面１６に向けて室内に流れる恒温空気ａの気流速度と同程度であり、整合性が維持されている。このため、恒温空気ｃによって恒温室１０全体のサイドフローが乱されることがない。

気流制御部材４４を設置しない場合には、吹出しユニット４２から吹出された恒温空気ｂに対して恒温室１０内の空気の巻き込みが発生し易くなり、ターゲット空間４０内の温度環境に乱れが生じる。

また、気流制御部材４４に替えて、図４に示したように吸引ユニット６２を設置し、恒温空気を強制的に吸引することも考えられる。しかしながら、このような吸引ユニット６２を設置した場合には、吸引ユニット６２の裏側に気流の滞留域Ｒが発生する。この気流の滞留域Ｒが恒温室１０全体のサイドフローを乱し、ターゲット空間４０内の温度環境に悪影響を与える。

気流制御部材４４としては前記したように例えば開口率が４０％程度のパンチング板が用いられるが、通気抵抗を調整可能な構造であればより一層、好ましい。すなわち、ターゲット空間４０で処理、加工又は検査される精密品の寸法形状に応じて吹出しユニット４２から吹出す恒温空気ｂの気流速度を変える場合がある。このような場合には吹出しユニット４２に相対向して配置した気流制御部材４４も通気抵抗の適正値が変化する。したがって、このようなニーズに対しては気流制御部材４４の通気抵抗が調整可能な構造であれば便利である。通気抵抗を調整可能にする構造としては、２枚のパンチング板を摺動自在に重ね合わせ、その重ね代を調整することによって、開口率を変化させる構造が好ましい。

上述のとおり、気流制御部材４４はターゲット空間４０内での恒温空気ｂによる安定なサイドフローの形成に有効であり、ターゲット空間４０での温度変動を±０．００１℃レベルに維持するのに役立つ。しかしながら、本発明に係る精密温度制御装置は気流制御部材４４の設置を必須とするものではなく、上述のように気流制御部材４４を省略する場合や、気流制御部材４４に替えて吸引ユニット６２を設置する場合も本発明に包含される。

図５は本発明に係る恒温室の望ましい配置例を示した側断面図である。図５において空気調和された大空間であるクリーンルーム６４内に上記実施形態に係る恒温室１０が配置されている。恒温室１０内にはターゲット空間４０を挟んで吹出しユニット４２と気流制御部材４４が相対向して配置されている。クリーンルーム６４内は室内温度が２３℃±０．１℃レベルとなるように制御されている。恒温室１０内は室内温度が２３℃±０．０１℃レベルとなるように制御されている。また、ターゲット空間４０では前述のように環境温度が２３℃±０．００１℃レベルとなるように制御されている。

このような三重の温度制御構成によれば、大空間であるクリーンルーム６４と恒温室１０の室内温度が精密度に差はあるが同温度に維持される。このため、クリーンルーム６４と恒温室１０との間を仕切る天井や側壁では熱の出入りが殆んどなくなり、恒温室１０では外熱の侵入が大幅に低減する。このことは恒温室１０内の温度制御、ひいてはターゲット空間４０での温度制御に対して外乱要素が低減することを意味しており、精密温度制御装置としての信頼性が向上する。

本発明に係る精密温度制御装置の実施形態を示した装置構成図である。 吹出しユニット４２の詳細構造を示す側断面図である。 気流制御部材４４の作用を示す説明図である。 気流制御部材４４に替えて、吸引ユニット６２を設置した場合の説明図である。 本発明に係る精密温度制御装置の望ましい配置例を示した側断面図である。

符号の説明

１０………恒温室、１２………機器、１４………吹出し側壁面、１６………吸込み側壁面、１８………吹出しパネル、２０………吸込みパネル、２２………吸気ダクト、２４………空気調和装置、２６………ファン、２８………冷却器、３０………一次加熱器、３２………給気ダクト、３４………二次加熱器、３６………温度センサ、３８………コントローラ、４０………ターゲット空間、４２………吹出しユニット、４４………気流制御部材、４６………分岐ダクト、４８………二次加熱器、５０………温度センサ、５２………コントローラ、５４………蓄熱体、５６………整流体、５８………吹出し面、６０………ケーシング、６２………吸引ユニット、６４………クリーンルーム。

Claims (5)

1. 吹出し側壁面から吹出した恒温空気ａを相対向して配置された吸込み側壁面から吸込むようにした恒温室と、前記恒温空気ａよりも気流速度が大きい恒温空気ｂを恒温室内のターゲット空間に向けて吹出すとともに、当該恒温空気ｂの気流方向が前記恒温空気ａの気流方向と一致するように前記恒温室内に配置された吹出しユニットとを具備し、
   前記恒温空気ｂの下流側には、前記吹出しユニットとの間で前記ターゲット空間を挟む通気性の気流制御部材が配置されたことを特徴とする精密温度制御装置。
2. 前記気流制御部材は摺動自在に重ね合わせた２枚のパンチング板であり、その重ね代を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の精密温度制御装置。
3. 前記恒温空気ａの気流速度が０．１〜０．２ｍ／ｓｅｃ、前記恒温空気ｂの気流速度が０．４〜０．８ｍ／ｓｅｃに制御されたことを特徴とする請求項１に記載の精密温度制御装置。
4. 前記吹出しユニットは空気調和手段から供給された調和空気を蓄熱体、整流体の順序で通過させた後に、前記恒温空気ｂとして吹出す構成とされたことを特徴とする請求項１に記載の精密温度制御装置。
5. 前記恒温室が空気調和された空間内に設置されたことを特徴とする請求項１に記載の精密温度制御装置。

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