JP2022109494A - 外気処理機 - Google Patents

Abstract

【課題】冬期の寒冷地で使用した場合、外気処理機に取り込む外気が低温のため、暖房能力が不足し低温の空気が室内に供給され不快であった。また、頻繁に熱交換器に着霜するためデフロスト（除霜）を行い、低温の空気が室内に供給され不快であった。夏季（中間期）では、外気を冷却し再熱する場合に再熱能力が不足し、要求の温湿度を満足しなかった。【解決手段】室内に温湿度を調整した外気空気を給気する外気処理機であって、省エネルギーのためのヒートポンプユニットと、所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットとを一体にパッケージ化するとともに、ヒートポンプユニットの出力と、ボイラーユニットとの出力を同時に制御する外気処理機とした。【選択図】図１

Description

本発明は、空調機と併せて使用される室内を換気するための外気処理機に関するものである。

従来、病院、老人福祉施設、大型のビル等の大型施設や工場等の生産プロセス用として商品の品質を維持するための空調においては、換気の為の室内からの空気の排気量が外部からの給気量よりも大きいと、室内が負圧となり隙間から汚れた空気が侵入し、室内の空気環境が悪化する恐れがある。このため、大量の換気・排気が必要な大型施設においては、室内への給気量と室内から排気量を調整して施設の用途に応じて室内を正圧や負圧に保つため、室内の温湿度を調整する空調機以外に、新鮮な外気を処理して室内に供給する外気処理機が併用されている。

外気処理機は、例えば、夏季であれば外気より低温の温度の空気を室内に給気し、冬季であれば外気より高温の温度の空気を室内に給気することで、空調された室内温度との差がなくなり室内の給気口付近が不快にならないようにする役割があり、更に空調機に余計な負担をかけない機能を備えている。また、近年では、省エネのため電気エネルギー以上の大きな熱エネルギーが得られるヒートポンプの技術を採用した外気処理機が提供されている。

このような外気処理機（外気処理空調機）としては、同一ケーシング内に、外気取入口と、屋内からの排気を取入れる排気取入口と、外気と熱交換する蒸発器と、排気熱回収兼用の凝縮器と、圧縮機と、外気を蒸発器を介して屋内送風する給気送風機と、凝縮器を介して排気を屋外送風する排気送風機と、屋外から蒸発器への外気風量を調整する外気ダンパと、屋内から凝縮器への排気風量を調整する排気ダンパと、凝縮器への送風量を補助する外気導入ダンパと、を備えた空冷ヒートポンプ式外気処理空調機が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００２－２２８１８７号公報

しかし、特許文献１の外気処理機では、冬季の寒冷地で使用した場合、外気処理機に取り込む外気が低温（０℃以下）のため、暖房能力が不足し低温の空気が室内に供給され室内の給気口付近では寒い。また、加湿能力が不足し湿度が上がらない。寒冷地で使用するヒートポンプは寒冷地仕様といった特殊なヒートポンプが必要になり高価である。また、外気が低温の場合には、頻繁に熱交換器が着霜するためデフロスト（除霜）する必要がある。等の様々な問題があり、特に冬季の寒冷地等においては十分な能力を発揮できなかった。夏季（中間期）においては、外気を冷却し後に冷媒ホットガスで再熱する場合には再熱能力が不足し、目標の温湿度にならない場合があった。

上記問題点を解決するために、外気処理機の前または後ろに電気ヒータユニットや加熱コイルユニットを配置して、外気処理機に取り込む外気を予熱することが考えられるが、大掛かりな設備工事が必要となるばかりか、追加した機器を含めた最適な制御を構築できない場合がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、外気処理機にヒートポンプの技術だけではなく、所定温度の温水や不凍液等（以下、熱媒水）を循環させるボイラーユニットを一体に構成し、それらを同時に最適制御することで、冬季の寒冷地で使用可能な外気処理機を提供することを目的としている。また、寒冷地でなくても冬季の病院や老人福祉施設、工場等で生産プロセス用として商品の品質を維持するために高温で高湿の給気が必要とされる施設に最適な外気処理機を提供することを目的としている。

本発明は、室内に温湿度を調整した外気を供給する外気処理機であって、省エネルギーのためのヒートポンプユニットと、所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットとを一体にパッケージ化したことを特徴とする外気処理機とした。

また、前記ヒートポンプユニットの出力と、前記ボイラーユニットとの出力を同時に制御することで、熱交換器のデフロストを抑制することを特徴とする。

本発明の外気処理機は、省エネルギーのためのヒートポンプユニットと、所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットとを一体にパッケージ化してものである。これにより、冬季の寒冷地において外気処理機に取り込む外気の温度が低い場合でも、室内に供給する外気の温度をボイラーユニットで予熱することで、安定した温湿度の外気を室内に供給することができる。

また、ヒートポンプユニットの出力と、ボイラーユニットとの出力を同時に制御することで、外気処理機の熱交換器のデフロストを抑制することができる。すなわち、ヒートポンプユニットとボイラーユニットとを一体に構成するとともに、連動して同時に最適な制御をすることで、外気処理機内の蒸発器への着霜を制御することができるので、デフロスト（徐霜）による能力低下や室内の冷風感等の不快を解消することができる。

本発明の一実施形態の外気処理機の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の冬季の外気処理機内における外気の温度変化を説明する空気線図である。 本発明の一実施形態の冬季の外気処理機内におけるデフロスト抑制制御の概要を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態の夏季（中間期）の外気処理機内における外気の温度変化を説明する空気線図である。

本発明は、室内に温湿度を調整した外気を供給する処理機であって、省エネルギーのためのヒートポンプユニットと、所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットとを一体にパッケージ化したことを特徴とする外気処理機に関する。

以下、本発明の実施形態に係る外気処理機について、図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明の一実施形態の外気処理機の構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態の冬季の外気処理機内における外気の温度変化を説明する空気線図である。図３は、本発明の一実施形態の冬季の外気処理機内におけるデフロスト抑制制御の概要を説明するフローチャートである。図４は、本発明の一実施形態の夏季（中間期）の外気処理機内における外気の温度変化を説明する空気線図である。

図１に示すように、本実施形態の外気処理機１は、金属製（例えば、鉄、アルミ）の上中下の箱型の上段ケーシングＫＨ、中段ケーシングＫＭ、下段ケーシングＫＬ内に各種機器をユニット化して構成されている。最上段の上段ケーシングＫＨは左右開口部を有してして構成されており、上部に設けられた排気ファン３０を稼働することにより、左右開口部から外気ＯＡを吸い込んで上部に排出する。上段ケーシングＫＨの左右開口部近傍には、凝縮器２０がそれぞれ設置されている。この凝縮器２０は、夏季運転時は内部の高圧・高温の冷媒ガスを外気ＯＡにより冷却し、凝縮液化させるための熱交換器である。ここで凝縮液化された冷媒ガスは、冷媒配管２５を経由して、後述の蒸発器２１、再熱器２２に循環される。

中段ケーシングＫＭは、上段ケーシングＫＨと同様に左右開口部を有して構成されている。中段ケーシングＫＭの右開口部は外気ＯＡの取り入れ口であり、取り入れた外気ＯＡの温湿度を調整して、中段ケーシングＫＭの左開口部から給気ＳＡとして室内に供給する。中段ケーシングＫＭの左右開口部近傍には、熱媒水コイル１３がそれぞれ設置されている。熱媒水コイル１３は、熱媒水配管１２を循環する熱媒水を内部で循環させる複数の熱媒水流通パイプで構成されており、中段ケーシングＫＭの右開口部から取り入れた外気ＯＡの温度調整（冬季の予熱）を行う。

中段ケーシングＫＭの右開口部近傍の熱媒水コイル１３の左側には、蒸発器２１が配設されている。蒸発器２１は、内部を循環する凝縮液化された冷媒の蒸発潜熱を利用して容器の外を中段ケーシングＫＭの右から左に流通する外気ＯＡに熱交換する熱交換器である。このため、冷媒配管２５により凝縮器２０と連結され、凝縮液化された冷媒が凝縮器２０から供給される構成としている。

蒸発器２１の左側には、再熱器２２が配設されている。再熱器２２は蒸発器２１を通過して温度が低下した外気ＯＡを暖めるものである。つまり、熱交換器として機能することで、冷ました空気を再度加熱するため「再熱器」と呼称される。この再熱器２２も冷媒配管２５により凝縮器２０と連結され、凝縮液化された冷媒が凝縮器２０から供給される。そして、再熱器２２の熱源として凝縮器２０から供給された凝縮液化された冷媒ホットガスを使用する構成としている。

すなわち、上段ケーシングＫＨの左右開口部近傍にそれぞれ設置された凝縮器２０と、中段ケーシングＫＭに設置された蒸発器２１、再熱器２２及びそれらを連結した冷媒配管２５により、本実施形態におけるヒートポンプユニットが構成されている。なお、ヒートポンプユニットを構成する凝縮器２０及び蒸発器２１は、冬季の暖房運転時と夏季の冷房運転時とでは、その機能を逆転させて動作する。つまり、凝縮器２０は、冬季の暖房運転時は蒸発器２０として機能し、蒸発器２１は、冬季の暖房運転時は凝縮器２１として機能する。このため、以下の説明では、符号を同じくした凝縮器２０、蒸発器２０又は、蒸発器２１、凝縮器２１として記載される場合がある。

再熱器２２の左側には、加湿器２３が配設されている。この加湿器２３は、上段ケーシングＫＨを左から右に流通する外気ＯＡに所定の湿度を付与するものである。加湿器２３の左側であり、中段ケーシングＫＭの左開口部近傍には熱媒水コイル１４が配設されている。熱媒水コイル１４は、熱媒水配管１２を循環する熱媒水を内部に循環させることにより、中段ケーシングＫＭの右開口部から取り入れた外気ＯＡの最終的な温度調整を行い、中段ケーシングＫＭの左開口部から所定温度の空気を給気ＳＡとして室内に供給する。

下段ケーシングＫＬは、上段ケーシングＫＨ、中段ケーシングＫＭとは異なり、各種装置を内部に設置して構成されている。下段ケーシングＫＬの右側には、貯湯槽１０、ボイラ１１が設置されており、常に一定温度の熱媒水が貯湯槽１０に貯湯される構成としている。貯湯槽１０に貯留された熱媒水は熱媒水配管１２の途中に設置されたポンプ（図中Ｐ）により、熱媒水配管１２で連結された貯湯槽１０と熱媒水コイル１３及び１４との間を循環することになる。

すなわち、中段ケーシングＫＭの左右開口部近傍にそれぞれ設置された熱媒水コイル１３及び１４と、下段ケーシングＫＬに設置された貯湯槽１０、ボイラ１１及びそれらを連結した熱媒水配管１２により、本実施形態におけるボイラーユニットが構成されている。

上述した構成の外気処理機１によれば、夏季においては、高温の外気ＯＡをヒートポンプユニットの蒸発器２１で冷却し、再加熱が必要な場合には再熱器２２で再熱する。再熱量が不足する場合にはボイラーユニットの貯湯槽の熱媒水を熱媒水コイル１４に供給し再熱を補うことで、適切な温度及び湿度の給気ＳＡを室内に提供することができる。また、冬季においては、低温の外気ＯＡの温度をヒートポンプユニットの凝縮器２１で加熱し、加湿が必要な場合には加湿器２３で加湿する。加湿器で気化冷却した温度が低い場合にはボイラーユニットの貯湯槽の熱媒水を熱媒水コイル１４に供給し加熱することで、適切な温度及び湿度の給気ＳＡを室内に提供することができる。

以下、図２を参照して、冬季の外気処理機１内における外気ＯＡの温度変化の一例を説明する。図２に示す例は、冬季の寒冷地に設置された外気処理機１内における外気ＯＡの温度変化を示している。

図２に示すように、中段ケーシングＫＭの右開口部から取り入れた外気ＯＡの温度は―１５℃である（図中〇の１）。中段ケーシングＫＭの右開口部から左開口部に流通する外気ＯＡの温度は、中段ケーシングＫＭの右開口部近傍のボイラーユニットを構成する熱媒水コイル１３で予熱されて３５℃まで上昇する（図中〇の２）。中段ケーシングＫＭの熱媒水コイル１３の左に設置されたヒートポンプユニットの凝縮器２０で外気ＯＡの温度は４５℃まで上昇する（図中〇の３）。

加湿器２３で湿度調整された外気ＯＡの温度は、加湿による水分の蒸発により３０．７℃まで気化冷却され下降する（図中〇の４）。最終的に、中段ケーシングＫＭの右開口部から左開口部に流通する外気ＯＡの温度は、中段ケーシングＫＭの左開口部近傍のボイラーユニットを構成する熱媒水コイル１４で加熱されて４０℃まで上昇する（図中〇の５）。そして、中段ケーシングＫＭの左開口部から熱媒水コイル１４で加熱された外気ＯＡは、給気ＳＡとして室内に供給される。

上述してきたように、本実施形態に外気処理機１は、ヒートポンプユニットだけではなく、所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットを一体に構成することで、冬季の寒冷地で使用可能な外気処理機１を提供することができる。

ここで、本実施形態における外気処理機１は、一体に構成したヒートポンプユニット及びボイラーユニットを制御部（図示しない）において連動させて制御する構成としている。すなわち、ヒートポンプユニットを構成する凝縮器２０、蒸発器２１及び再熱器２２の制御と、ボイラーユニットを構成する貯湯槽１０と循環ポンプＰ、ボイラ１１による温度制御とを同時に行うことで、運転効率の良いヒートポンプユニットを優先的に運転させ、ボイラーユニットの稼働は必要最小運転にすることで、無駄のない最適な制御を行うことができ、省エネルギーを図ることが可能となる。

また、冬季の寒冷地等においては、外気処理機１が取込む外気ＯＡは、予めボイラーユニットを構成する熱媒水コイル１３で予熱された状態で、熱交換器であるヒートポンプユニットを構成する凝縮器２１を流通する。これにより、外気処理機１が取込む低温（例えば、－１５℃）の外気ＯＡが、低温のまま熱交換器であるヒートポンプユニットを構成する凝縮器２１を流通することを防ぎ、加熱能力不足を補う。また、ヒートポンプユニットの蒸発器２０の蒸発温度が低下し、デフロスト検知温度になった場合は、ヒートポンプユニットの出力を下げ蒸発温度を上昇させ、次にボイラーユニットの出力を上げ加熱能力不足を補うことで、蒸発器２０は着霜しにくい状態になりデフロスト（除霜）を抑制し、冬季の寒冷地等においても十分な能力を発揮することができる。

以下、図３を参照して本実施形態の外気処理機１で制御されるデフロスト抑制制御方法の一例を説明する。なお、以下の制御処理は、外気処理機１に付設されている制御部（図示せず）に記憶されている制御プログラムにより実行される冬季の暖房運転時を一例として説明する。

図３に示す暖房運転処理では、外気温度と蒸発器２０の蒸発温度のデフロスト設定条件を監視しながら、条件が揃わない時にはヒートポンプユニットの出力のアップとダウンで給気設定温度に向かって制御し、条件が揃う時にはヒートポンプユニットの出力をダウンさせ蒸発温度を上げる制御を行い蒸発器２０に着霜しないように抑制する。その際、ヒートポンプユニットの熱媒水コイル出力のアップとダウンで給気設定温度に向かって制御し、ヒートポンプユニットのデフロスト抑制を行う。

図３に示すように、制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下か否かを判別する（ステップＳ１）。制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下ではないと判別した場合（ステップＳ１：Ｎｏ）は、ヒートポンプユニットの出力をダウン（ステップＳ２）させて、ステップＳ１に処理を移す。一方、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下であると判別した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）は、ステップＳ３に処理を移す。

制御部は、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下か否かを判別する（ステップＳ３）。制御部は、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下ではないと判別した場合（ステップＳ３：Ｎｏ）は、ヒートポンプユニットの出力をアップ（ステップＳ４）させて、ステップＳ１に処理を移す。一方、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下であると判別した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）は、ヒートポンプユニットの出力をダウン（ステップＳ５）させて、ステップＳ６に処理を移す。

制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下か否かを判別する（ステップＳ６）。制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下ではないと判別した場合（ステップＳ６：Ｎｏ）は、ステップＳ１に処理を移す。一方、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下であると判別した場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）は、熱媒水コイル１３及び１４の出力をアップ（ステップＳ７）させて、ステップＳ８に処理を移す。

制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下か否かを判別する（ステップＳ８）。制御部は、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下ではないと判別した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）は、熱媒水コイル１３及び１４の出力をダウン（ステップＳ９）させて、ステップＳ８に処理を移す。一方、外気ＯＡの温度が設定給気温度以下であると判別した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０に処理を移す。

制御部は、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下か否かを判別する（ステップＳ１０）。制御部は、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下であると判別した場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）は、ヒートポンプユニットの出力をダウン（ステップＳ１１）させて、ステップＳ１０に処理を移す。一方、外気ＯＡの温度がＡ（設定値）℃かつ蒸発温度Ｘ（設定値）℃以下ではないと判別した場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）は、熱媒水コイル１３及び１４の出力をアップ（ステップＳ１２）させて、ステップＳ１３に処理を移す。

制御部は、暖房運転を継続するか否かを判別する（ステップＳ１３）。制御部は、暖房運転を継続すると判別した場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）は、ステップＳ１に処理を移す。一方、暖房運転を継続しないと判別した場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）は、本処理を終了する。

以下、図４を参照して、夏季（中間期）の外気処理機１内における外気ＯＡの温度変化の一例を説明する。

図４に示すように、中段ケーシングＫＭの右開口部から取り入れた外気ＯＡの温度は２３℃である（図中の〇の１）。中段ケーシングＫＭの右開口部から左開口部に流通する外気ＯＡの温度は、ヒートポンプユニットの蒸発器２１で１１．３℃まで冷却され（図中の〇の２）、再熱器２２で２２℃まで加熱される（図中の〇の３）。給気設定温度が２５℃になっている場合、冷媒ホットガスだけでは再熱能力が不足するため、ボイラーユニットを構成する熱媒水コイル１４にて２５℃まで加熱する（図中の〇の４）。そして、中段ケーシングＫＭの左開口部から熱媒水コイル１４で加熱された外気ＯＡは、給気ＳＡとして室内に供給される。

以上、本発明における実施形態の一例を説明してきたが、本発明の具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

１ 外気処理機
１０ 貯湯槽
１１ ボイラ
１２ 熱媒水配管
１３ 熱媒水コイル
１４ 熱媒水コイル
２０ 凝縮器（冬季は蒸発器）
２１ 蒸発器（冬季は凝縮器）
２２ 再熱器
２３ 加湿器
２５ 冷媒配管
３０ 排気ファン
ＫＨ 上段ケーシング
ＫＭ 中段ケーシング
ＫＬ 下段ケーシング
ＯＡ 外気
ＳＡ 給気

Claims (2)

1. 室内に温湿度を調整した外気を供給する外気処理機であって、
   省エネルギーのためのヒートポンプユニットと、
   所定温度の熱媒水を循環させるボイラーユニットと、
   を一体にパッケージ化したことを特徴とする外気処理機
2. 前記ヒートポンプユニットの出力と、前記ボイラーユニットとの出力を同時に制御することで、熱交換器のデフロストを抑制することを特徴とする請求項１に記載の外気処理機。

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