(57)【要約】【課題】あまりエネルギーを使用することなく、且つ／又は、あまり費用を掛けないで動作して所望の結果を得るシステムを提供すること。【解決手段】スプレーブースで使用される外気を調節する調節システムである。外気は、調節された後、スプレーエリアからコーティング材のミスト、塵及び汚染物を取り去るために使用される。調節システムは、外気を加熱、冷却、加湿及び除湿して、変動可能な目標値に調節する。この変動可能な目標値は、乾球温度と相対湿度とによって拘束されており、費用及び／又はエネルギーを最小に抑えることに基づいて選択される。更に、目標値の選択は、将来予想される天候状態に基づいて行われることも可能である。将来予想される天候状態は、限定された領域における以前の天候状態及び天候の傾向の数学的なプロファイルで決定される。限定された領域とは、スプレーブースを備える製造プラントを包囲する地理的な領域である。【選択図】図９
2008307531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプレーブースで使用する外気を調節する方法であって、
前記外気の乾球温度を感知するステップと、
前記外気の相対湿度を感知するステップと、
特定の乾球温度と特定の相対湿度とを有する目標値を選択するステップと、
前記外気を前記目標値に調節するステップと、
を含み、
前記目標値を選択するステップは、前記外気を調節するために必要なエネルギーの量を最小限にすることに基づくことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記特定の乾球温度は所定の温度範囲内にある請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記特定の乾球温度は２０℃と２５．６℃との間にある請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記特定の相対湿度は所定の相対湿度範囲内にある請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記特定の相対湿度は５０％と８０％との間にある請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記特定の相対湿度は６０％と７０％との間にある請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記目標値を選択するステップは、更に、限定された領域における以前の天候状態と天候の傾向とに基づく数学的なプロファイルに基づいている請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記限定された領域は、前記スプレーブースを備える製造プラントを直接包囲する領域である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は、更に、前記目標値に調節された外気を前記スプレーブースのスプレーエリアに供給するステップを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
スプレーブースで使用する外気を調節する方法であって、
前記外気の乾球温度を感知するステップと、
前記外気の相対湿度を感知するステップと、
特定の乾球温度と特定の相対湿度とを有する目標値を選択するステップと、
前記外気を前記目標値に調節するステップと、
を含み、
前記目標値を選択するステップは、前記外気を調節するのに必要な費用を最小限にすることに基づくことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記目標値を選択するステップは、更に、限定された領域における以前の天候状態及び天候の傾向に基づく数学的なプロファイルに基づいている請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記限定された領域は、前記スプレーブースを備える製造プラントを直接包囲する領域である請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記特定の乾球温度は所定の温度範囲内にある請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記特定の乾球温度は２０℃と２５．６℃との間にある請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記特定の相対湿度は所定の相対湿度範囲内にある請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記特定の相対湿度は５０％と８０％との間にある請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記特定の相対湿度は６０％と７０％との間にある請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法は、更に、前記目標値に調節された外気を前記スプレーブースのスプレーエリアに供給するステップを含んでいる請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
スプレーブースに使用される外気を調節するシステムであって、
前記外気が前記スプレーブースに送られる前に前記外気を冷却する冷却コイルと、
前記外気が前記スプレーブースに送られる前に前記外気を加熱する予熱器と、
前記外気が前記スプレーブースに送られる前に前記外気を加湿する加湿器と、
前記外気が前記スプレーブースに送られる前に前記外気を加熱する再熱器と、
前記冷却コイルの動作と前記予熱器の動作と前記加湿器の動作と前記再熱器の動作とを制御して、前記外気の乾球温度及び相対湿度を目標値の温度及び湿度にそれぞれ調整する制御器と、
を備えており、
前記目標値の温度及び湿度は、感知された大気の状態に基づいて変動可能であり、
前記目標値の温度及び湿度は、前記外気を前記スプレーブースで使用されるのに適した状態に調節するために要するエネルギーの量を減らすために選択されていることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
前記選択された目標値の温度は所定の温度範囲内にある請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記選択された目標値の温度は２０℃と２５．６℃との間にある請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記選択された目標値の湿度は所定の湿度範囲内にある請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記選択された目標値の湿度は５０％と８０％との間にある請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記選択された目標値の湿度は６０％と７０％との間にある請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塗装ブースの空気の取り扱いシステムに関する。詳しくは、本発明は、塗装ブースで使用される外気の調節方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車体がコンベヤで連続的にスプレーブースを通り抜けるように搬送されている間に塗装される場合、（ブースの外で）調節された空気の質は非常に重要である。基本的には、外気（大気）は、スプレーブース内に送られる前に調節エリアを通る。調節された空気は、吸気ファンによって、プレナム室に導かれ、次いで、所定の流速で下方に排出されてスプレーブース内に入る。スプレーブース内において、調節された空気は、蒸発した有機溶剤を含むコーティング材のミストとともに排出ファンによってスプレーブースの下方に排出される。空気が下方へ流れて排出されるので、塗装された車体表面の品質低下を引き起こす可能性のあるコーティング材のミスト又は塵がスプレーブース内で散乱して漂流することはない。また、この下方への空気流は、スプレーブース内の作業者の労働環境の安全にも貢献する。
【０００３】
外気を適正に処理するために、周知のスプレーブースシステムは、外気を調節エリアに通して、外気の性質を調整する。調節エリアは、塵又は汚染物を除去するフィルタと、外気を暖めるための予熱器及び再熱器と、外気を加湿及び冷却する加湿器と、外気を冷却する冷却コイルとを、備えており、これらの装備で調節された空気を一定の温度及び湿度でスプレーブース内に送り込む。典型的な高生産量車両スプレーブースで塗装が安全且つ適正に行われるためには１分当たり１０００００立方フィートを超える空気流が必要なので、この調節エリアの役割は重要である。
【０００４】
周知のスプレーシステムは、上記のような構成を実現させるために、調節システムの入口にあるセンサがリアルタイムで外界の天候のデータを収集する反応型制御システムを使用している。その際、ＰＩＤ（proportional integral derivative）制御アルゴリズムを使用するＰＬＣ（programmable logic controller）は、調節システムが外気を所望の目標値に調整するための適正な設定条件を決定する。
【０００５】
所望の目標値は、特定の乾球温度及び相対湿度と、を有する。乾球温度は、空気に晒されており放射及び水分から遮蔽されている温度計によって測定される空気の温度である。相対湿度は、空気中の水蒸気量と、その空気が同温で保持できる最大の水蒸気量と、の比である。
【０００６】
特定の乾球温度及び相対湿度からなる目標値は空気線図上で特定できる。この空気線図は、一定の圧力における空気の物理的な特性を示すグラフである。空気線図は、乾球温度、湿球温度、露点、相対湿度、混合比、比エンタルピー及び比体積等の空気の各種特性に関係している。特定の高さにおける空気の全特性のうちの２つの特性のみを最初に知ることによって、該空気の全ての特性を決定することができる。好ましくは、空気線図を構成するデータは、制御器のルックアップテーブルに記憶されており、これによって、空気調節システムの制御は簡素化される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の周知のシステムは、外気を目標値に調整する際、どのような方法が最も経済的に効率が良いのか或いはどのような方法が最もエネルギーの面で効率的であるのかを考慮していない。更に、目標値は、所定の範囲内で旧来から固定されている値であり、外気の状態に従って所定の範囲内で変わるものではない。また、周知のシステムは、将来予想される外気の状態に基づいて外気を調整するものではない。従って、あまりエネルギーを使用することなく、且つ／又はあまり費用を掛けないで動作して、所望の結果を得るシステムを提供するためには技術的な余地が依然としてかなりある。
【０００８】
従って、スプレーブースで使用される外気を良好に調節する方法が当業界で求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はスプレーブース用の外気を調節する方法及び装置に関する。特に、本発明は、車両用のスプレーブースに使用される外気を調節する方法及び装置に関し、外気を調節するために消費されるエネルギーの量及び／又は費用を使用して、所定の範囲内にある目標値を決定する。
【００１０】
詳しくは、本発明は、外気が所定範囲内の変動可能な目標値に調整される調節システムに関する。変動可能な目標値の選択は、スプレーブース内で安全な状態を維持するとともに車両の塗料の欠陥を最小限にすること等の、目標値を選択する際の考慮すべき従来事項に基づいている。しかし、本発明の変動可能な目標値の選択は、外気を調節する際に使用するエネルギーの量を最小にすること、及び／又は、外気を調節する際に掛かる費用を最小にすることにも関係している。更に、本発明は、予想される将来の天候状態に基づいて、変動可能な目標値を選択することを任意で考慮してもよい。例えば、変動可能な目標値が直近の天候状態ではなく将来予想される天候状態に基づいて選択する際、比較的少ないエネルギー又は比較的少ない費用で済ませることができる。
【００１１】
本発明によると、制御器は、外気の乾球温度及び相対湿度の測定値等の外界の天候データを、天候データの数学的なプロファイルとともに利用して、調節システムの設定条件を決定する。この設定条件は、最も経済的なものか或いはエネルギーの面で最も効率的なものである。或いは、この設定条件は、最も経済的であるとともにエネルギーの面で最も効率的なものである。数学的なプロファイルは、限定された領域における以前の天候状態及び天候の傾向に基づいている。この限定された領域とは、ブースエリアを備える製造プラントを直接包囲する領域である。
【００１２】
本発明の上記特徴及び他の更なる特徴は以下の記載及び添付図面から明白である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１〜図３を参照すると、本発明に係わる車体のスプレー塗装の際に使用される空気の調節システム１０が示されている。調節システム１０は、調節エリア１２とブースエリア１４とで構成されている。調節エリア１２は、制御器１６と、入口１８と、吸気温度センサ２０と、吸気湿度計２２と、第１フィルタ２４と、予熱器２６と、冷却コイル２８と、加湿器３０と、再熱器３２と、吸気ファン３４と、を備えている。
【００１４】
ブースエリア１４は、上方プレナム部３６と、下方プレナム部３８と、スプレーエリア４０と、下方エリア４２と、に分割されている。上方プレナム部３６は、入口４４と、拡散プレート４６と、を備えており、下方プレナム部３８は、第２のフィルタ４８と、天井フィルタ５０と、を備えている。上方プレナム部３６は、更に、ブース温度センサ５２と、ブース湿度計５４と、を備えている。スプレーエリア４０は、本実施例では車両である対象物５８に塗料又はコーティング材を塗布するスプレー設備５６を備えている。スプレーエリア４０の下方には、スクラッバー６０と排気ファン６２とが在る。
【００１５】
調節エリア１２は、基本的に、ブースエリア１４の上方に位置しており、大体、入口１８は建物の屋上に在る。しかし、調節エリア１２の位置は特別重要なものではない。一番重要なのは、大量の空気へのアクセスである。
【００１６】
図２に示されるように、吸気温度センサ２０と、吸気湿度計２２と、予熱器２６と、冷却コイル２８と、加湿器３０と、再熱器３２と、吸気ファン３４と、ブース温度センサ５２と、ブース加湿器５４と、排気ファン６２と、は制御器１６に電気的に接続されている。しかし、上記部品２０、２２、２６、２８、３０、３２、３４、５２、５４、６２を制御器１６に接続するためのワイヤレス通信手段又は光ファイバ通信手段等の他の手段を用いることも可能である。
【００１７】
図２は、予熱器２６と冷却コイル２８と加湿器３０と再熱器３２とが制御器１６に接続されていることを示しているが、予熱器２６と冷却コイル２８と加湿器３０と再熱器３２とは、アクチュエータ及び制御弁に接続されており、このアクチュエータ及び制御弁が制御器１６に接続されていることを理解されたい。アクチュエータ及び制御弁は、本発明では中心的な存在ではないので、図示されていない。
【００１８】
吸気温度センサ２０は、外気が入口１８に入る際にこの外気の温度を測定して、この測定された温度の情報は制御器１８に送信される。更に、吸気湿度計２２は、外気が入口１８に入る際にこの外気の絶対湿度を測定する。吸気湿度計２２及びブース湿度計５４は、当業界では周知であり、任意で乾球温度を感知する。湿度計２２、５４は、水分が物質に吸収されるとその物質の電気抵抗が変化するという原理に基づいて動作する。従って、２本の導線間を通る電流の抵抗と空気の電気抵抗とを比較すれば、絶対湿度が決まる。絶対湿度は相対湿度に変換可能である。
【００１９】
若しくは、乾球温度と湿球温度とを測定することによって相対湿度を決める。乾球温度と湿球温度とを制御器１６に入力した後、制御器１６は空気線図に似たルックアップテーブルにアクセスして、外気の相対湿度を知ることができる。
【００２０】
前述したように、空気線図は、一定の圧力における空気の物理的な特性を示すグラフである。空気線図は、乾球温度、湿球温度、露点、相対湿度、混合比、比エンタルピー、比体積等の空気の各種特性に関連している。特定の高さにおける空気の全特性は、そのうちの２つの特性のみを最初に知ることによって、決定される。空気線図からのデータは、全て、制御器１６のルックアップテーブルに記憶されていることが好ましい。
【００２１】
予熱器２６及び再熱器３２は、周知のように、外気を加熱するものであり天然ガス又は油によって点火される。又は、予熱器２６及び再熱器３２は、周知のように、電気抵抗ヒータを使用して外気を加熱する。予熱器２６は、寒い天候時に、外気を加熱して、その後、その外気をブースエリア１４で使用するために重要である。再熱器３２は、暖かい天候時に、外気が冷却コイル２８によって冷却された後で、その外気をブースエリアが求める程度まで加熱するために重要である。
【００２２】
第１のフィルタ２４、第２のフィルタ４８及び天井フィルタ５０（まとめてフィルタ２４、４８、５０）は、任意で提供されており、数多くの役目を果たす。例えば、フィルタ２４は外気から粒子を取り除き、フィルタ４８、５０は、調節された空気から微粒子を取り除く。フィルタ２４、４８、５０の素材は当業界で周知の様々な素材である。
【００２３】
冷却コイル２８は外気の温度及び湿度を調整する。冷却コイル２８は、吸気温度センサ２０によって生成される信号に応じて必要なときに、外気から余分な水を取り除くように動作可能である。冷却コイル２８の内部を流れるクーラント／冷媒流体と外気との間での熱伝達が良好に行われるために、冷却コイル２８は金属製の管状材料で構成されていることが好ましい。銅製の管状材料で冷却コイル２８が構成されていると更に好ましい。
【００２４】
加湿器３０は、複数のノズル（不図示）を備えており、これら複数のノズルは、加湿器に入ってくる外気流に面している。外気流に面する位置にノズルが配置されているので、調節システム１０に入る水は確実に完全に蒸発し、調節されているときの外気を良好に加湿させる。しかし、他の種類の加湿器を使用してもよく、本発明は、本書の加湿器３０に限定されない。
【００２５】
吸気ファン３４及び排気ファン６２は、当業界では周知の高性能速度可変型のファンである。
【００２６】
図３は調節エリア１２を示している。冬の動作モードにおいて、先ず最初に、予熱器２６は外気を暖める。次いで、外気は第１のフィルタ２４を通過する。そして、加湿器３０は、外気の絶対湿度／相対湿度を調整する。
【００２７】
夏の動作モードにおいて、最初、外気は第１のフィルタ２４を通過する。次いで、冷却コイル２８は外気を冷却する。外気が冷却コイル２８を通過した後、再熱器３２は、外気を加熱して、外気に対する最終的な温度調整を行う。
【００２８】
冬の動作モード及び夏の動作モードの両方のモードにおいて、外気は、再熱器３２の付近の領域を去った後、吸気ファン３４を通過する。吸気ファン３４を通過した外気は、調節された空気としてみなされる。調節エリア１２の全体のレイアウト及び構造は当業界で周知のものである。
【００２９】
調節された空気は、その後、入口４４を介してブースエリア１４に入り、上方プレナム部３６の拡散プレート４６の周囲を通過する。調節された空気は、拡散プレート４６によって、確実に上方プレナム部３６内で均等に分散する。調節された空気は、その後、下方プレナム部３８の第２のフィルタ４８を通過して、天井フィルタ５０を通って、スプレーエリア４０内に入る。ブースエリア１４のレイアウト及び構成は、本発明の中心的なものではなく、その他の周知のブースのレイアウトも可能である。スプレーエリア４０において、調節された空気は、塗料又はコーティング材の塗布を行うスプレー設備５６からコーティング材のオーバースプレー／ミスト、及び／又は、塵を吸収する。オーバースプレー及び／又は塵をスプレーエリア４０から取り除くことによって、コーティング過程の質は向上し、作業者が吸い込む空気の質は向上し、スプレーエリア４０で爆発が起こる危険性は低下する。
【００３０】
ブースエリア１４の上方プレナム部３６に位置するブース温度センサ５２及びブース湿度計５４は、ブースの乾球気温及び絶対／相対湿度をそれぞれ感知し、このブースの乾球気温及び絶対／相対湿度を制御器１６に通知する。またブース湿度計５４は、任意で、ブースの乾球気温を感知して制御器１６に通知することもできる。
【００３１】
調節された空気は、スプレーエリア４０を通り抜けた後、スクラッバー６０を備える下方エリア４２を通過する。調節された空気は、下方エリア４２を通り抜ける間に清潔な状態になり、スプレーエリア４０で捕獲された汚染物が取り除かれる。調節された空気は、その後、排気ファン６２によって排出される。
【００３２】
スプレーエリア４０における調節された空気の適正な温度及び相対湿度は、コーティング作業には非常に重要である。例えば、塗料の粘度は、スプレーエリア４０内の温度に依存する。更に、相対湿度が十分に高くない場合、スプレーエリア４０内で発生する火花によって爆発が起きる可能性がある。可燃性のある領域では、相対湿度は少なくとも５５％であることが望ましい。また、相対湿度が適正に制御されていない場合、塗料／コーティング材に使用される溶剤が適正に急速に流れることができないとともに塵を制御することができない可能性がある。
【００３３】
図４は、旧来の調節システムによる外気の調節を空気線図に示したものである。この図４に示された例において、外気は、温度が約３５℃、相対湿度（ＲＨ）が５０％であり、この温度及び相対湿度は、典型的な夏日の温度及び相対湿度を示すものである。この従来の調節システムは、約２２．８℃及び６５％のＲＨである旧来の目標値を使用している。この旧来の目標値は、温度及び相対湿度の許容値の範囲の中心になるように選択された点である。この許容値の範囲は、ブースエリア１４で使用される塗料の供給体によって提供される情報に基づいている。前述したように、外気を調節することによって、ブースエリア１４の安全を保つとともに、車両５８の塗装表面の品質の欠陥を最小限にする。
【００３４】
図４に示された例において、予熱器２６及び再熱器３０は作動しない。先ず、外気は冷却コイル２８を通過して、外気は約１６℃及び１００％のＲＨになるように冷却される。そして、この部分的に調節された空気は、再熱器３２を通過して、暖められて、求められるような２２．８℃及び６５％のＲＨの調節された空気となる。しかし、この旧来の方法が外気を過剰に冷却していることは図６に示される本発明の方法を観ると明らかである。この過剰な冷却は、結果的には、エネルギー及び費用の浪費となる。このような過剰な冷却が行われてエネルギー及び費用の浪費を招く理由は、外気が常に旧来の目標値に調節されており、本発明で示されるその他の許容可能な目標値（例えば、変動可能な目標値）に調節されないことである。
【００３５】
図５は、変動可能な目標値の許容可能（適正）な値を示している。この例では、前述の旧来の目標値である約２２．８℃及び６５％のＲＨの他に、２２．８℃から±２．８℃の温度範囲と６５％から±５％のＲＨの範囲とからなる許容可能な状態の範囲があり、この範囲の限界値は、ほぼ平行四辺形状となって空気線図上に示されている。また、許容可能な状態の範囲は、２２．８℃から±２．８℃の温度範囲と６５％から±１５％のＲＨの範囲とからなるものでもよい。しかし、ＲＨの範囲は６５％から±５％の範囲であることが好ましい。許容可能な状態の範囲は、旧来の目標値の場合のように、塗料の供給体によって提供される。本発明においては、更に、外気を常に旧来の目標値に調節する代わりに、本発明の制御器１６は、外気を変動可能な目標値に調整するように調節システム１０に指示する。図示された例では、変動可能な目標値は、調節された空気が２２．８℃±２．８℃であり相対湿度が６５％±５％という限定事項によって拘束されているだけである。制御器１６は、後述するように、費用或いはエネルギーの消費を最小にする変動可能な目標値を選択する。
【００３６】
図６は、外気に対する本発明の調節の手順（経路）を空気線図で示したものである。外気の状態は図４における外気の状態と同じである。しかし、本発明は、外気を旧来の目標値である２２．８℃及び６５％のＲＨに調節するのではなく、約２５．６℃及び７０％のＲＨからなる変動可能な目標値に調節するので、エネルギー及び金銭の節約となる。つまり、変動可能な目標値に到達するように外気を冷却する場合、旧来の目標値の場合ほど冷却する必要はないので、エネルギー及び金銭の節約となる。
【００３７】
図７及び図８は、外気を旧来の目標値に到達させるまでの調節手順と、外気を本発明の変動可能な目標値に到達させるまでの調節手順と、を示しており、両者を以下で比較する。図７及び図８において、外気は温度が約３１．３℃及びＲＨが５０％である。図７に示されるように、従来の調節システムは、外気を冷却して１６℃及び１００％のＲＨにしてからこの外気を加熱して従来の目標値である２２．８℃及び６５％のＲＨにすることによって、外気の調節を行う。しかし、図８に示されるように、本発明の外気の調節は、外気を冷却して約２５．６℃及び７０％のＲＨにするだけである。図６及び図８の２つの例では変動可能な目標値が約２５．６℃及び７０％のＲＨであるが、図５に示された許容可能な状態の範囲以内であれば、その他の目標値でもよい。
【００３８】
変動可能な目標値の選択は、エネルギー消費を最小にすることに基づいている。例えば、外気を或る目標値まで調節する際、その或る目標値が外気の状態に近くすることによって、消費するエネルギーは、外気を旧来の目標値に調節する場合に比べて、全体的に少なくすることができる。従来の外気調節方法は、外気を固定された目標値に常に調節するものであった。外気を調節する際、調節する外気の目標値を空気線図上で外気の状態に近い値にすることは過去に考慮されていなかった。従来の方法は、外気の状態を考慮せずに、固定された目標値に外気を機械的に調節するものであった。また、従来の方法は、どのような目標値にすれば、消費するエネルギーを最小限に抑えられるのかという観点に関連するものではなかった。
【００３９】
変動可能な目標値の選択は、また、費用を最小にすることに基づくこともできる。これは、外気の状態に最も近い目標値を選択することによって使用されるエネルギーを少なくするか、或いは、高価であると思われている或る形態のエネルギーの使用を最小にする目標値を選択することによって実現可能である。外気の状態に最も近い目標値を選択する過程は、エネルギーを最小にする前述の過程と同じなので、以下では、高価であると思われている或る形態のエネルギーの使用を最小にすることに焦点を当てて説明を行う。
【００４０】
エネルギーを比較的多く使用するが費用の面で比較的効果のある変動可能な目標値に外気を調節することによって、費やす金銭を少なくすることができる。
この目標値が費用の面で比較的効果である理由は、エネルギーの価格がエネルギーの形態毎に異なることに起因している。前述したように、従来の外気調節方法は、外気を常に同じ目標値に調節する。これは、外気を調節する際に、調節される外気の目標値を空気線図上で外気の状態に近い値にすることを考慮していない。例えば、エネルギーはその種類によって単位原価が異なるので、金銭の節約をするためには、エネルギーを多く消費する方法で外気を調節する場合があることが考えられる。
【００４１】
また、エネルギーの費用は１日を通じて変動する。エネルギー需要のピークがエネルギー供給を超えないようにするために、公共団体は、エネルギーを使用する時刻に従って、選択されたエネルギーの種類によって課す料金を異ならせている。例えば、電気の公共団体は、電気がピーク時に使用されているとき、料金を割増している。制御器１６は、各種エネルギーの様々な費用を時刻に関連させている。これによって、制御器１６は、様々なエネルギーの価格が変動する場合であっても、最も費用の面で効率的な目標値を選択することができる。
【００４２】
任意で、予想される将来の天候条件を把握した上で、エネルギーを節約するという原則又は費用を節約するという原則を適用することもできる。前述したように、本発明は、限定された領域における以前の天候状態及び天候の傾向に基づく天候データの数学的なプロファイルを利用している。この限定された領域とは、ブースエリア１４を備える製造プラントを直接包囲する地理的な領域である。
【００４３】
詳しくは、天候状態は、外気の相対湿度及び乾球温度という２つの変数で構成されている。各変数は、以下の動的系の有限差分方程式で予測される。
Ｘｎ＋１−Ｘｎ＝ｆ（Ｘｎ）−Ｘｎ
【００４４】
時刻ｔｎ＋１における状態は、時刻ｔｎにおける状態の関数である。時刻ｔｎ＋１における状態は、制御器１６に予め設定された間隔で保管されている状態データ値を部分的に内挿してから予め設定された時間間隔で外挿することによって決定される。この予め設定された時間間隔は、典型的に、１５〜６０分である。予想される変数は、１次微分方程式によって誤差を決定することによって絶えず修正／更新される。この１次微分方程式は、最初に予想された状態と新たな時刻ｔｎにおける状態との変数の偏差の加重合計としてモデル化されたものである。モデルの速さの誤差は、時間で前進（陽）積分されて、実際の予想の誤差を決定する。前述の有限差分方程式から得られた予想される変数は、制御器１６にフィードフォワードされて、調節システム１０を正しく制御する。
【００４５】
従って、予想される将来の天候状態に基づいて、制御器１６は、予想される将来の天候状態に比較的密接に合致する目標値に外気を調節することが有効であると判断できる。この判断によって、比較的多くのエネルギーが最初に使用されるが、将来の天候状態が変化する度に調節システム１０が動作条件を繰り返し変更する必要はないので、必要とされるエネルギーは全体的には比較的少ない。
【００４６】
本発明を使用する方法は図９に示されている。ステップ１００において、外気の乾球温度及び相対湿度が感知される。次いで、ステップ１１０において、変動可能な目標値が制御器１６によって決定及び選択される。前述したように、変動可能な目標値は、どの目標値が消費するエネルギーを最小にするのか、又は、どの目標値が最も経済的なのかに基づいて、決定及び選択される。更に、この分析は、限定された領域における以前の天候状態及び天候の傾向に基づいて行うことができる。
【００４７】
ステップ１１０を実行するために、制御器１６は、許容可能な状態の範囲以内にある様々な目標値に外気を調節するのに必要なエネルギーを算出する。その際、エネルギーの使用を最小にすることを目標にして外気を調節する場合、エネルギーを最小量だけ消費する目標値であると判断された目標値が選択される。費用を最小にすることを目標にして外気を調節する場合、制御器１６は、各種の目標値に対応する費用を見積もり、費用が最小となる目標値が選択される。この動作は、制御器１６が各種のエネルギーの費用を記憶しているので、可能となる。任意で、各種のエネルギーの費用は、前述したような変動するエネルギーの料金を反映している。前述したように、制御器１６は、各種エネルギーの費用を記憶しているので、費用の面で最も効果的な目標値を選択することができる。エネルギーの価格が時刻に従って変動する場合でも、調節システム１０は、費用を最小にして動作する。ステップ１２０において、選択された目標値に基づいて外気が調節される。
【００４８】
適正に調節された空気をスプレーエリア４０に供給することは非常に重要である。同時に、外気を調節することは、非常に高価で多量のエネルギーを必要とする過程である。従って、本発明は、これらの問題を変動可能な目標値を利用して対処している。本発明の調節システム１０は、固定された旧来の目標値に外気を調整する必要はない。むしろ、外気は、空気の品質に対する要求を全て満たす特定の温度及び相対湿度に調節される。このとき、外気を旧来の目標値に調節する場合に比べて、使用するエネルギー及び／又は費用は少ない。
【００４９】
最小量のエネルギーを消費する目標値が費用の面で最も効果的な目標値とはならないことが時折ある。従って、本発明は、エネルギーの面で最も効率的な目標値及び／又は最も経済的な目標値を制御器１６が決定して選択できるようになっている。例えば、制御器１６は、予熱器２６を作動させるために天然ガスを比較的多く使用するが冷却コイル２８を作動させる電気をあまり多くは使用しない変動可能な目標値に外気を調節することによって、消費するエネルギーの量は最小になると判断できる。このような変動可能な目標値を選択した結果、外気を常に旧来の目標値に調節する場合に比べて、全体的なエネルギーの消費が少なくなる。
【００５０】
若しくは、本発明は、最も経済的な変動可能な目標値を決定して選択できる。多くの場合、エネルギーの形態が異なれば、掛かる費用も異なる。更に、エネルギーは、消費時間によって単価が異なる場合がある。例えば、予熱器２６を作動させるのに使用される天然ガスは、冷却コイル２８を作動させるのに使用される電気に比べて、エネルギー単位当たりでは、あまり高価なものではないときがある。また、冷却コイル２８を作動させるのに使用される電気は、時刻によって費用が多く掛かったり又は少なくて済む場合がある。外気を調節するのに使用される複数のエネルギーの種類の相対的な費用に基づいて、その時点で最も経済的な形態のエネルギーを利用する変動可能な目標値を選択することができる。本発明は、外気を調節する際に、エネルギーの消費を最小にすること、及び／又は、全体の費用を最小にすること、に基づいて、変動可能な目標値が選択されることを教示している。
【００５１】
本願開示は、車両をスプレー塗装する調節システム１０の説明であるが、該調節システム１０は、器具又は子供の玩具等の物を塗装するのにも使用可能である。更に、調節システム１０は、塗料を塗布するスプレーブースとは対照的に、コーティング材を塗布するコーティングブースとともに使用してもよい。
【００５２】
上述したように、本発明は、従来の型の装置に関する多くの問題を解決する。しかし、本発明の本質を説明するために図示及び記載された部品の構成、素材及び詳細事項は、特許請求の範囲で示される本発明の範囲及び原理から逸脱しなければ、当業者によって各種変更可能であることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】スプレーブース調節システムの前断面図。
【図２】本発明のスプレーブース調節システムの各種構成部品同士の関係を示す概略図。
【図３】調節エリアの側断面図。
【図４】外気に対する従来の調節手順を示す空気線図。
【図５】変動可能な目標値の許容可能な値の範囲を示す空気線図。
【図６】本発明に係わる外気に対する調節手順を示す空気線図。
【図７】外気に対する従来の他の調節手順を示す空気線図。
【図８】本発明に係わる外気に対する他の調節手順を示す空気線図。
【図９】本発明に係わる方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５４】
１４  スプレーブース
【図１】
2008307531.tif 000003
【図２】
2008307531.tif 000004
【図３】
2008307531.tif 000005
【図４】
2008307531.tif 000006
【図５】
2008307531.tif 000007
【図６】
2008307531.tif 000008
【図７】
2008307531.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
INTELLIGENT AIR CONDITIONING SYSTEM FOR A PAINT BOOTH
BACKGROUND OF THE INVENTION
FIELD OF THE INVENTION
[0001]          The present invention is generally directed toward paint booth air handling systems and, more particularly toward a method for conditioning exterior air for use in a paint booth.
DESCRIPTION OF RELATED ART
[0002]          In a spray booth for painting, for example, vehicle bodies that are continuously conveyed on a conveyor through the spray booth, the quality of the conditioned (booth ambient) air is very important.  Typically, exterior (atmospheric) air is passed through a conditioning area prior to being sent into the spray booth.  The conditioned air is directed by an intake fan to a plenum chamber and is discharged downwardly at a predetermined flow velocity into the spray booth.  The conditioned air in the spray booth is drawn together with coating mists, including any evaporated organic solvents, and is discharged beneath the booth by an exhaust fan.  This downward air flow can prevent the coating mist or dust, which would otherwise create quality defects on the vehicle paint surface, from scattering and drifting in the booth.  The airflow also helps provide a safer working environment for operators in the spray booth.
[0003]          To properly treat the exterior air, known spray booth systems pass exterior air through the conditioning area to adjust properties of the exterior air.  The conditioning area includes filters to remove dust or contaminants, preheaters and reheaters to warm, humidifiers to humidify and cool, and cooling coils to cool the exterior air before sending the newly conditioned air at a certain temperature and humidity into the spray booth.  This is a significant task since typical high production-volume vehicle spray booths require over 100,000 cubic feet per minute of airflow in order for painting to safely and properly occur.
[0004]          To accomplish this, the known systems utilize a reactive control system in which outside weather data is collected by sensors at the inlet of the conditioning system in real time.  Then, PLCs (programmable logic controllers) using PID (proportional-integral-derivative) control algorithms, determine the proper settings for the conditioning system to adjust the exterior air to a desired set point.
[0005]          The set point has a specific dry-bulb temperature and relative humidity.  The dry-bulb temperature is the temperature of air measured by a thermometer exposed to the air and shielded from radiation and moisture.  The relative humidity is the ratio of the amount of water vapor in the air and the maximum amount of water vapor the air can hold at the same temperature.
[0006]          A set point of a specific dry-bulb temperature and relative humidity can be located on a psychrometric chart.  The psychrometric chart is a graph of the physical properties of the air at a constant pressure.  The psychrometric chart relates various properties of the air, such as dry-bulb temperature, wet-bulb temperature, dew point temperature, relative humidity, humidity ratio, specific enthalpy, and specific volume.  At a specific elevation, all of the properties of the air can be determined by initially knowing only two of the properties.  Preferably, the data that makes up the psychrometric chart is stored in a lookup table in the controller, thereby simplifying control of the conditioning system.
[0007]          These known systems do not account for what would be the most economical or the most energy efficient method to adjust the exterior air to the set point.  Further, the set point is traditionally fixed within a predetermined range and does not change within the range depending on the condition of the exterior air.  Nor do the known systems condition the exterior air based upon predicted future conditions of the exterior air.  Accordingly, considerable room still exists in the technology to provide such a system that can achieve the desired results using less energy and/or costing less money to operate.
[0008]          Therefore, there exists a need in the art for a method to better condition the exterior air that is used in the spray booth.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0009]          The present invention is directed toward a method and apparatus to condition exterior air for a spray booth, and in particular, spray booths for vehicles, in which the cost and/or the amount of energy consumed to condition the exterior air are used to determine a set point within a predetermined range.
[0010]          More specifically, the present invention is directed toward a conditioning system in which the exterior air is adjusted to a variable set point within a predetermined range.  Variable set point selection is based upon traditional considerations for selecting a set point, such as maintaining safe conditions in the spray booth and minimizing quality defects in the paint on the vehicle.  However, the variable set point selection of the present invention is also concerned with selecting a set point that uses the least amount of energy and/or that costs the least amount of money to condition the exterior air.  In addition, the present invention optionally also considers selecting the variable set point based upon predicted future weather conditions.  For example, less energy may be consumed or it may cost less for a variable set point to be selected on the basis of the predicted future weather conditions, rather than selecting a set point for the immediate weather conditions.
[0011]          In accordance with the present invention, a controller utilizes outside weather data, such as dry-bulb temperature and relative humidity measurements of the exterior air, along with a mathematical profile of weather data, to determine settings for the conditioning system.  These settings are either the most economical and/or the most energy efficient.  The mathematical profile is based upon previous weather conditions and weather trends in a localized domain, where the localized domain is an area immediately surrounding a manufacturing plant that includes a booth area.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0012]          These and further features of the invention will be apparent with reference to the following description and drawings, wherein:
[0013]          Fig. 1 is a front sectional view of a spray booth conditioning system;
[0014]          Fig. 2 is a schematic diagram illustrating the relationship between various components of the conditioning system of the present invention;
[0015]          Fig. 3 is a side sectional view of a conditioning area;
[0016]          Fig. 4 is a psychrometric chart illustrating a traditional path for exterior air to be conditioned;
[0017]          Fig. 5 is a psychrometric chart illustrating a window of acceptable values for a variable set point;
[0018]          Fig. 6 is a psychrometric chart illustrating a path for the exterior air to be conditioned according to the present invention;
[0019]          Fig. 7 is a psychrometric chart illustrating an alternate traditional path for the exterior air to be conditioned;
[0020]          Fig. 8 is a psychrometric chart illustrating an alternate path for the exterior air to be conditioned according to the present invention; and
[0021]          Fig. 9 is a flowchart illustrating a method according to the present invention.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0022]          With reference to Figs. 1-3, a conditioning system 10 for air used during the spray painting of vehicles according to the present invention is shown.  A conditioning area 12 and a booth area 14 make up the conditioning system 10.  The conditioning area 12 includes a controller 16, an inlet 18, an intake temperature sensor 20, an intake hygrometer 22, a first set of filters 24, a preheater 26, a cooling coil 28, a humidifier 30, a reheater 32, and an intake fan 34.
[0023]          The booth area 14 is divided into an upper plenum 36, a lower plenum 38, a spray area 40, and a lower area 42.  The upper plenum 36 includes an inlet tap 44 and a diffuser plate 46, while the lower plenum 38 includes a second set of filters 48 and a ceiling filter 50.  The upper plenum 36 further contains a booth temperature sensor 52 and a booth hygrometer 54.  The spray area 40 contains spray equipment 56 for applying paint or coatings to an object, which in this case is a vehicle 58.  Below the spray area 40 are scrubbers 60 and an exhaust fan 62.
[0024]          The conditioning area 12 is typically located above the booth area 14, and many times, the inlet 18 is situated on a building rooftop.  However, the location of the conditioning area 12 is not of specific importance.  Rather, access to large amounts of air is of primary importance.
[0025]          As is specifically shown in Fig. 2, the intake temperature sensor 20, the intake hygrometer 22, the preheater 26, the cooling coil 28, the humidifier 30, the reheater 32, the intake fan 34, the booth temperature sensor 52, the booth hygrometer 54, and the exhaust fan 62 are electrically connected to the controller 16.  However, other means, such as wireless or fiber-optic communication means to connect the components 20, 22, 26, 28, 30, 32, 34, 52, 54, 62 with the controller 16, are possible and contemplated.
[0026]          It is noted that while Fig. 2 illustrates that the preheater 26, the cooling coil 28, the humidifier 30, and the reheater 32 are connected to the controller 16, it is understood that rather, the preheater 26, the cooling coil 28, the humidifier 30, and the reheater 32 are connected to actuators and control valves, which are in turn, connected to the controller 16.  The actuators and control valves are not central to the invention and as such are not illustrated.
[0027]          The intake temperature sensor 20 measures the temperature of the exterior air as the exterior air enters the inlet 18 and this information is sent to the controller 16.  In addition, the intake hygrometer 22 measures the absolute humidity of the exterior air as the exterior air enters the inlet 18.  The hygrometers 22, 54, which are known in the art, also optionally sense dry-bulb temperature.  The hygrometers 22, 54 operate on the principle that electrical resistance in a material varies as moisture is absorbed into the material.  Thus, if the electrical resistance of the air is compared to the resistance of a current passing between two wires, the absolute humidity can be determined.  The absolute humidity can then be converted to relative humidity.
[0028]          Alternatively, the relative humidity can be determined by measuring the dry-bulb temperature and a wet-bulb temperature.  After inputting the dry-bulb and wet-bulb temperatures into the controller 16, which in turn accesses a lookup table that is similar to a psychrometric chart, the relative humidity for the exterior air is known.
[0029]          As described previously, the psychrometric chart is a graph of the physical properties of the air at a constant pressure.  The psychrometric chart relates various properties of the air, such as the dry-bulb temperature, the wet-bulb temperature, dew point temperature, relative humidity, humidity ratio, specific enthalpy, and specific volume.  At a specific elevation, all of the properties of the air can be determined by initially knowing only two of the properties.  Preferably, all of the data from the psychrometric chart is stored in a lookup table in the controller 16.
[0030]          The preheater 26 and the reheater 32 heat the exterior air and may be fired by natural gas or oil, or may use an electrical resistance heater to heat the exterior air, as is known.  The preheater 26 is important in cool weather to heat the exterior air for subsequent use in the booth area 14.  The reheater 32 is important in warm weather to heat the exterior air to the booth requirements after it has been cooled by the cooling coil 28.
[0031]          The first set of filters 24, the second set of filters 48, and the ceiling filter 50 (collectively, the filters 24, 48, 50) are optionally provided and serve a number of purposes.  For example, the filter 24 removes particles from the exterior air, while the filters 48, 50 remove particulates from the conditioned air.  The material of the filters 24, 48, 50 may be of the various types as is known in the art.
[0032]          The cooling coil 28 adjusts the temperature and humidity of the exterior air.  The cooling coil 28 may be operated to remove excess water from the exterior air as required in response to a signal produced by the temperature sensor 20.  Preferably, the cooling coil 28 is composed of metal tubing to provide better heat transfer between the exterior air and a coolant/refrigerant fluid that is flowing inside of the cooling coil 28.  More preferably, the cooling coil 28 is composed of copper tubing.
[0033]          The humidifier 30 includes a plurality of nozzles (not shown) which face into the stream of the incoming exterior air. The disposition of the nozzles in this position assures more complete evaporation of water entering the system 10, thus leading to better humidification of the exterior air being conditioned.  However, other types of humidifiers could be used and the present invention is not restricted to the humidifier 30 explained herein.
[0034]          The intake and exhaust fans 34, 62 are high capacity variable speed type fans, as is known in the art.
[0035]          Fig. 3 illustrates the conditioning area 12.  In a winter mode of operation, first the preheater 26 warms the exterior air.  Then, the exterior air passes through the first set of filters 24.  Then, the humidifier 30 adjusts the absolute/relative humidity of the exterior air.
[0036]          In a summer mode of operation, the exterior air first passes through the first set of filters 24.  Then, the cooling coil 28 cools the exterior air.  After passing through the cooling coil 28, the reheater 32 heats the exterior air to make final temperature adjustments to the exterior air.
[0037]          In both the winter mode and summer mode of operation, after the exterior air leaves an area near the reheater 32, the exterior air passes through the intake fan 34 and is considered conditioned air.  The general layout and structure of the conditioning area 12 is known in the art.
[0038]          The conditioned air then enters the booth area 14 through the inlet tap 44 and passes around the diffuser plate 46 in the upper plenum 36.  The diffuser plate 46 ensures that the conditioned air is evenly distributed in the upper plenum 36.  The conditioned air then passes through the second set of filters 48 in the lower plenum 38 before being passed through the ceiling filter 50 and entering into the spray area 40.  It is noted that the booth area 14 layout and construction is not central to the invention and any number of common booth layouts are possible and contemplated.  While in the spray area 40, the conditioned air absorbs coating overspray/mist and/or dust from the spray equipment 56 for applying paint or coatings.  By removing the overspray and/or dust from the spray area 40, the quality of the coating process is improved, air quality for operator inhalation is increased, and explosion risks in the spray area 40 are decreased.
[0039]          The booth temperature sensor 52 and the booth hygrometer 54, which are located in the upper plenum 36 of the booth 14, sense the booth dry-bulb air temperature and absolute/relative humidity, respectively, and communicate the booth dry-bulb air temperature and absolute/relative humidity to the controller 16.  Optionally, the booth hygrometer 54 can also sense the booth dry-bulb air temperature and communicate the dry-bulb temperature to the controller 16.
[0040]          After the conditioned air has traveled through the spray area 40, the conditioned air then moves through the lower area 42 including the scrubbers 60.  While passing through the lower area 42, the conditioned air is cleaned and contaminants that were picked up while in the spray area 40 are removed.  Subsequently, the conditioned air is discharged with the exhaust fan 62.
[0041]          Proper temperature and relative humidity of the conditioned air in the spray area 40 is very important for the coating operation.  For example, paint viscosity depends on the temperature in the spray area 40.  Further, if the relative humidity is not high enough, any sparks that occur in the spray area 40 could potentially result in an explosion.  In ignitable areas, the relative humidity is desired to be at least 55%.  In addition, if the relative humidity is not properly controlled, solvent used in paint/coatings may not flash-off properly and dust may not be controlled.
[0042]          Fig. 4 illustrates how the traditional conditioning system would condition the exterior air as shown on the psychrometric chart.  In this example, the exterior air is about 35 °C and 50% RH, which is representative of a typical summer day.  The conventional conditioning system uses a traditional set point that is about 22.8 °C and 65% RH.  The traditional set point is selected to be in the middle of a range of acceptable values for temperature and relative humidity.  This range is based upon information provided by the suppliers of the paint used in the booth area 14.  As stated hereinbefore, by conditioning the exterior air, the safety of the booth area 14 is maintained and quality defects of the painted surface of the vehicle 58 are minimized.
[0043]          In the example illustrated in Fig. 4, the preheater 26 and the humidifier 30 are not activated.  First, the exterior air is passed through the cooling coil 28, which cools the air to about 16 °C and 100% RH.  Then, the partially conditioned air is passed through the reheater 32 to warm the partially conditioned air, resulting in conditioned air that is 22.8 °C and 65% RH as required.  However, as will be evident after viewing the method of the present invention as illustrated in Fig. 6, the traditional method over-cools the exterior air.  This over-cooling results in a waste of energy and money.  The reason for this is that the exterior air is always conditioned to the traditional set point, instead of an alternate acceptable set point (e.g. variable set point) of the present invention.
[0044]          Fig. 5 illustrates acceptable values for the variable set point.  In addition to the traditional set point of about 22.8 °C and 65% RH, there is a window of acceptable conditions around the 22.8 °C and 65% RH of ±2.8 °C and ±5% RH, resulting in a nearly parallelogram-shaped limit on the psychrometric chart.  Alternatively, the window of acceptable conditions around the 22.8 °C and 65% RH can be ±2.8 °C and ±15% RH.  However, the window of ±5% RH is preferable.  As with the traditional set point, the window of acceptable conditions is provided by the paint supplier.  Further, in accordance with the present invention, instead of always conditioning the exterior air to the traditional set point, the controller 16 of the present invention instructs the conditioning system 10 to adjust the exterior air to the variable set point.  In the illustrated example, the variable set point is only bounded by the restrictions that the conditioned air be 22.8 °C ±2.8 °C and that the relative humidity be 65% RH ±5%.  The controller 16 selects a variable set point that will either minimize cost or energy consumption, as will be discussed hereinafter.
[0045]          Fig. 6 illustrates a path of the present invention conditioning the exterior air as shown on the psychrometric chart.  The exterior air is at the same condition as the exterior air in Fig. 4.  However, since the present invention conditions the exterior air to the variable set point of about 25.6 °C and 70% RH, instead of to the traditional set point of 22.8 °C and 65% RH, energy and money are saved.  This is because the exterior air does not have to be cooled as much to reach the variable set point, as compared to the traditional set point.
[0046]           Figs. 7 and 8 provide an additional comparison of the conditioning paths to the traditional set point and the variable set point.  In this example comparison, the exterior air is about 31.3 °C and 50% RH.  As is shown in Fig. 7, the conventional conditioning system would condition the exterior air by cooling the exterior air to 16 °C and 100% RH and then heat the exterior air to the traditional set point of 22.8 °C and 65% RH.  However, as is shown in Fig. 8, the present invention conditions the exterior air by merely cooling the exterior air to about 25.6 °C and 70% RH.  While the two examples in Figs. 6 and 8 have resulted in the variable set point being equal to about 25.6 °C and 70% RH, other locations on or within the window of acceptable conditions, as shown in Fig. 5, are possible and contemplated.
[0047]          Selection of the variable set point may be based upon minimizing energy consumption.  For example, less total energy may be consumed by conditioning the exterior air to a set point that is closer to the conditions of the exterior air than by conditioning the exterior air to the traditional set point.  The previous method of conditioning the exterior air always conditioned the exterior air to the same fixed set point.  There was no consideration of conditioning the exterior air to a point on the psychrometric chart that was closer to the conditions of the exterior air.  Instead, the previous method would rotely condition the exterior air to the fixed set point with no consideration of the current state of the exterior air.  Nor would the conventional method be concerned with which set point would result in the least amount energy being consumed.
[0048]          Alternatively, selection of the variable set point may be based upon minimizing cost.  This can be accomplished by either selecting a set point that is nearest to the conditions of the exterior air, and thus uses less energy, or by selecting a set point that minimizes the use of certain forms of energy that are deemed expensive.  As the process for selecting a set point that is nearest to the conditions of the exterior air is the same as the process for energy minimization discussed hereinbefore, the following discussion will focus on minimizing the use of certain forms of energy that are deemed expensive.
[0049]          Less money may be expended by conditioning the exterior air to a different variable set point that uses more energy, but due to the different prices of different forms of energy, is more cost effective.  As stated hereinbefore, the traditional method of conditioning the exterior air always conditioned the exterior air to the same set point.  There was no consideration of conditioning the exterior air to a point on the psychrometric chart that was closer to the conditions of the exterior air.  For example, as different types of energy have different unit costs, it is considered clear that there may be times that to save the most amount of money, the exterior air may be conditioned in a manner that results in a larger consumption of energy.
[0050]          Additionally, costs for energy can vary throughout the day.  To ensure that the peak demand for the energy is not greater than the available supply, utility companies may charge different rates for the selected energy type depending upon the time of the day that the energy is used.  For example, electrical utility companies may charge a premium for electricity used during peak times.  As such, it is advantageous that the controller 16 associates the different costs of the various type of energy with the coinciding different times of the day.  This ensures that the controller 16 selects the most cost efficient set point, even if different types of energy have variable prices.
[0051]          Optionally, either of the energy saving or cost saving rationales can be applied with an understanding of the predicted future weather conditions.  As mentioned hereinbefore, the present invention utilizes a mathematical profile of weather data based upon previous weather conditions and weather trends in a localized domain.  The localized domain is a geographic area immediately surrounding a manufacturing plant that includes a booth area 14.
[0052]          Specifically, the weather conditions are made up of two variables: the dry-bulb temperature and the relative humidity of the exterior air.  Each variable is predicted in the form of a dynamic system finite difference equation:
Xn+1 - Xn = f(Xn) - Xn
where the condition at time tn+1 is a function of the condition at time tn.  The condition at time tn+1 is determined by first piece-wise interpolating the condition data points archived in a preset interval in the controller 16 and then extrapolating it over a preset time interval.  The preset time interval is typically 15 to 60 minutes.  The predicted variable is constantly corrected/updated by determining the error by a first order differential equation modeled as the weighted sum of the deviations of the variables between the original forecast and the condition at the new time tn. The model velocity error is integrated forward in time to determine the actual prediction error.  The predicted variables from the dynamic system finite difference equation are then fed forward to the controller 16 for appropriate control of the conditioning system 10.
[0053]          Accordingly, based upon the predicted future weather conditions, the controller 16 may determine that it is more advantageous to condition the exterior air to a different set point that would more closely match the predicted future weather conditions.  While this decision may initially use more energy, it may require less energy overall since the system 10 will not have to repeatedly change operating conditions as the future weather conditions change.
[0054]          A method of using the present invention is illustrated in Fig. 9.  In Step 100, the exterior air dry-bulb temperature and relative humidity are sensed.  Then, in Step 110, the variable set point is determined and selected by the controller 16.  As discussed hereinbefore, the variable set point is determined and selected based upon which set point would result in the least amount of energy being consumed or would be the most economical to reach.  Additionally, this analysis can be based upon previous weather conditions and weather trends in the localized domain.
[0055]          In order to accomplish Step 110, the controller 16 calculates the energy needed to condition the exterior air to a variety of set points that are on or within the window of acceptable conditions.  Then, if the exterior air is to be conditioned with a goal of minimizing energy usage, the set point that is determined to consume the least amount of energy is selected.  Alternatively, if the exterior air is to be conditioned with a goal of cost minimization, the controller 16 estimates the cost associated with the variety of set points and the set point that costs the least is selected.  This is possible because the controller 16 stores the costs of the different types of energy.  Optionally, these costs reflect the potential variable energy rates as discussed hereinbefore.  As previously stated, the controller 16 stores the costs of the various types of energy, and therefore can select the most cost effective set point.  In the event that energy prices vary depending on the time of day, operation of the system 10 can still occur with a minimization of cost.  In Step 120, the exterior air is conditioned based on the selected set point.
[0056]          As is considered apparent, supplying properly conditioned air to the spray area 40 is very important.  At the same time, conditioning the exterior air is a very expensive and energy intensive process.  Accordingly, the present invention addresses these issues with the variable set point.  The conditioning system 10 of the present invention is not required to adjust the exterior air to the fixed traditional set point.  Rather, the exterior air can be conditioned to a specific temperature and relative humidity that satisfies all of the air quality requirements, but uses less energy and/or costs less than if the exterior air was conditioned to the traditional set point.
[0057]          Sometimes a set point that consumes the least amount of energy is not the most cost effective set point to which to condition the exterior air.  Accordingly, the present invention provides that the controller 16 can determine and select either the most energy efficient set point and/or the most economical set point.  For example, the controller 16 may determine that the least amount of energy would be consumed by conditioning the exterior air to a variable set point that uses more natural gas to operate the preheater 26, but less electricity to operate the cooling coil 28.  This selection of the variable set point would result in a lower overall consumption of energy than if the exterior air was always conditioned to the traditional set point.
[0058]          Alternatively, the present invention can determine and select a variable set point that is the most economical.  As is many times the case, different forms of energy cost different amounts of money.  Furthermore, the energy type may have a different unit price, depending on the time of consumption.  For example, the natural gas used to operate the preheater 26 may be less expensive per energy unit than the electricity that is used to operate the cooling coil 28.  Also for example, the electricity used to operate the cooling coil 28 may cost more or less at different times of the day.  Based upon the relative costs of the types of energy that are used to condition the exterior air, a variable set point may be selected that utilizes the most economical form of energy at the time.  The present invention teaches that the variable set point may be selected based upon minimizing energy consumption and/or minimizing the total cost to condition the exterior air.
[0059]          While the present disclosure has described the conditioning system 10 for spray painting vehicles, it is understood that the conditioning system 10 could be used to paint other objects, such as appliances or children's toys.  Furthermore, the conditioning system 10 could alternatively be used with a coating booth for applying coatings, as opposed to the spray booth for spraying paint.
[0060]          As described hereinabove, the present invention solves many problems associated with previous type devices.  However, it will be appreciated that various changes in the details, materials and arrangements of parts, which have been herein described and illustrated in order to explain the nature of the invention, may be made by those skilled in the art without departing from the principle and scope of the invention, as expressed in the appended claims.
1.  A method for conditioning exterior air for a spray booth, comprising the steps of:
sensing dry-bulb temperature of the exterior air;
sensing relative humidity of the exterior air;
selecting a set point that has a particular dry-bulb temperature and particular relative humidity, wherein selecting said set point is based upon minimizing an amount of energy required to condition the exterior air; and
conditioning the exterior air to the set point.
2.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 1, wherein the particular dry-bulb temperature falls within a predetermined range of temperatures.
3.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 2, wherein the dry-bulb temperature is between about 20 °C and 25.6 °C.
4.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 2, wherein the particular relative humidity falls within a predetermined range of relative humidities.
5.  The method for conditioning exterior air for the spray booth according to claim 4, wherein the particular relative humidity is between about 50% and 80%.
6.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 4, wherein the particular relative humidity is between about 60% and 70%.
7.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 1, wherein the step of selecting the set point is further based upon a mathematical profile that is grounded on previous weather conditions and weather trends in a localized domain.
8.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 7, wherein the localized domain is an area immediately surrounding a manufacturing plant that includes the spray booth.
9.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 1, also including the step of:
supplying the conditioned exterior air to a spray area of a spray booth.
10.  A method for conditioning exterior air for a spray booth, comprising the steps of:
sensing dry-bulb temperature of the exterior air;
sensing relative humidity of the exterior air;
selecting a set point that has a particular dry-bulb temperature and particular relative humidity, wherein selecting said set point is based upon minimizing a cost required to condition the exterior air; and
conditioning the exterior air to the set point.
11.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 10, wherein the step of selecting the set point is further based upon a mathematical profile that is grounded on previous weather conditions and weather trends in a localized domain.
12.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 10, wherein the localized domain is an area immediately surrounding a manufacturing plant that includes the spray booth.
13.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 10, wherein the particular dry-bulb temperature falls within a predetermined range of temperatures.
14.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 13, wherein the predetermined temperature is between about 20 °C and 25.6 °C.
15.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 13, wherein the particular relative humidity falls within a predetermined range of relative humidities.
16.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 15, wherein the particular relative humidity is between about 50% and 80%.
17.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 15, wherein the particular relative humidity is between about 60% and 70%.
18.  The method for conditioning the exterior air for the spray booth according to claim 10, also including the step of:
supplying the conditioned exterior air to a spray area of a spray booth.
19.  A system for conditioning exterior air for use in a spray booth, comprising:
a cooling coil that is adapted to cool the exterior air before the exterior air is communicated to the spray booth;
a preheater that is adapted to heat the exterior air before the exterior air is communicated to the spray booth;
a humidifier that is adapted to humidify the exterior air before the exterior air is communicated to the spray booth;
a reheater that is adapted to heat the exterior air before the exterior air is communicated to the spray booth; and
a controller that controls operation of the cooling coil, the preheater, the humidifier, and the reheater to adjust a dry-bulb temperature and a relative humidity of the exterior air to a set point temperature and a set point humidity, respectively, wherein the set point temperature and set point humidity are variable based upon sensed atmospheric conditions and are selected so as to reduce an amount of energy required to condition the exterior air to an acceptable condition for use in the spray booth.
20.  The system for conditioning exterior air according to claim 19, wherein the selected set point temperature falls within a predetermined range of temperatures.
21.  The system for conditioning exterior air according to claim 20, wherein the selected set point temperature is between about 20 °C and 25.6 °C.
22.  The system for conditioning exterior air according to claim 21, wherein the selected set point humidity falls within a predetermined range of humidities.
23.  The system for conditioning exterior air according to claim 22, wherein the selected set point humidity is between about 50% and 80%.
24.  The system for conditioning exterior air according to claim 22, wherein the selected set point humidity is between about 60% and 70%.
１．  Abstract
A conditioning system that conditions exterior air for use in a spray booth.  The exterior air is conditioned and subsequently used to carry away coating mist, dust, and contaminants from a spray area.  The conditioning system heats, cools, humidifies, and dehumidifies the exterior air to a variable set point.  The variable set point, while bounded by dry-bulb temperature and relative humidity constraints, is selected based upon cost and/or energy minimization.  Additionally, the set point selection may be based upon future predicted weather conditions that are determined with a mathematical profile of previous weather conditions and weather trends in a localized domain, where the localized domain is a geographic area surrounding a manufacturing plant that includes a spray booth.
２．Representative Drawing
Ｆｉｇ．９
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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