JP4409973B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理対象となる空気の温湿度調整を行う空気調和装置に係り、特に、安定した温湿度制御、冷凍機容量の削減及び省エネルギー化を実現すべく改良を施した空気調和装置に関する。

電子工業や精密機械工業の工場、食品保存用の貯蔵庫、実験用動物飼育室、バイオロジカルクリーンルームなどにおいては、温度・湿度などの室内環境を一定に保つ必要がある。このため、このような設備においては、室内の恒温・恒湿を目的とした空気調和装置が設置されている。

このような空気調和装置として従来から実施されているものの一例を、図７を参照して以下に説明する。すなわち、図中、左側を空気取入口、右側を空気供給口とするハウジング（図示せず）の内部に、取入口側から、外気の塵埃を取り除くプレフィルタ１、中性能フィルタ２、循環する冷水によって空気を冷却する冷却コイル３、循環する温水によって空気を加熱する加熱コイル４、ボイラで発生させた蒸気を空気の通過過程に供給して加湿する蒸気式加湿器５、再熱コイル６、及び、処理空気をハウジング外へ吐出する送風機７が配設されている。

また、前記冷却コイル３、加熱コイル４、蒸気式加湿器５及び再熱コイル６には、それぞれに供給される冷水、温水及び蒸気等の流量を制御するバルブ８、９、１０、１１が設けられている。また、加湿空気の供給口には、複数の温度及び湿度センサ１２が取り付けられており、これらのセンサ１２による検出値が温湿度制御器１３に入力され、この温湿度制御器１３によって、前記バルブ８〜１１の開度が調整され、供給空気の温度及び湿度があらかじめ定められた一定の値となるように、冷却コイル３内の冷水、加熱コイル４及び再熱コイル６内の温水、蒸気式加湿器５の蒸気の量が制御される構成となっている。

以上のような従来技術による温度及び湿度制御を、図８の湿り空気線図を参照して以下に説明する。なお、図８に示したａｗ〜ｄｗ〜ｅ、ａｓ〜ｂｓ〜ｄｗ〜ｅは、図７で示したａ〜ｅの位置における空気の状態に対応している。

すなわち、冬季などの空気の加熱及び加湿が必要な場合には、送風機７を作動させるとともに、加熱コイル４、蒸気式加湿器５及び再熱コイル６のバルブ９、１０、１１を開とする。すると、ハウジングの空気取入口から外気が流入する（ａ点）。流入した空気は、フィルタ１、２を介して塵埃が濾過された後、加熱コイル４によって加熱される（ｃ点）。これにより、図８のａｗとｃｗを結ぶ実線で示すように、乾球温度が推移する。

そして、加熱された空気は、蒸気式加湿器５による加湿が行われ（ｄ点）、さらに必要に応じて再熱コイル６によって加熱された後、送風機７によって供給口から供給される。なお、蒸気加湿は加熱を伴うので、図８のｃｗとｄｗを結ぶ実線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。

一方、夏季などの空気の除湿が必要な場合には、送風機７を作動させるとともに、冷却コイル３のバルブ８を開とする。すると、ハウジングの空気取入口から外気が流入する（ａ点）。流入した空気は、フィルタ１、２を介して塵埃が濾過された後、冷却コイル３によって冷却される（ｂ点）。これにより、図８のａｓとｂｓを結ぶ点線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。

そして、冷却された空気は、必要に応じて、再熱コイル６による再熱が行われ（ｅ点）、送風機７によって供給口から供給される。この再熱は、室内冷却負荷発生量が少ない場合、恒温・恒湿を達成するために必要であり、熱源としては、ボイラー運転による蒸気や温水が使われ、最近では、省エネルギー化を目的として、冷凍機において冷水を製造したことにより発生する冷却水の低温排熱を利用している例も多い（特許文献１）。
特開２００３−２９４２７４号公報

しかしながら、冷却水の排熱を利用する方式においても、従来冷却塔から排出（放熱）する熱量を利用しているのみで、冷却コイル３から排出される冷水は、そのまま冷凍機に戻されていたため、冷凍機の負荷量としては大きなものとなり、従って、冷凍機の容量が大きくなり、エネルギー使用量も大きかった。
なお、このような問題点は、加湿器として気化式加湿器を用いた空気調和装置においても同様に生じていた。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、安定した温湿度制御、冷凍機容量の削減及び省エネルギー化を可能とした空気調和装置を提供することにある。

本発明は、冷却コイルから排出される冷水である、いわゆる「冷水の返り」、あるいは他の系統より排出される「冷水の返り」を再熱コイルの熱源として利用することにより、冷凍機に戻される「冷水の返り」温度を下げて冷凍機の負荷を下げ、冷凍機容量を小さくすると共に、省エネルギー化を図るものである。

すなわち、請求項１に記載の空気調和装置は、吸気口と給気口とを有するチャンバ内に、冷水循環式の冷却コイルと、加熱コイルと、加湿器と、再熱コイルとを配設してなる空気調和装置であって、前記再熱コイルに、前記冷却コイルから排出される「冷水の返り」、あるいは、前記給気口から供給される処理空気が導入される室内に配設された冷水循環式のドライコイルから排出される「冷水の返り」のうち、温度の高い冷水が選択的に供給されるように構成されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項１に記載の発明においては、空気調和装置内に配設された冷却コイル、あるいは処理空気が導入される室内に設置されたドライコイルからの「冷水の返り」を、再熱コイルの熱源として利用することにより、冷凍機に戻される「冷水の返り」温度を下げることができるので、冷凍機の負荷が低減され、冷凍機容量を小さくすることができると共に、省エネルギー化を図ることができる。

また、空気調和装置内に配設された冷却コイル及び処理空気が導入される室内に設置されたドライコイルからの「冷水の返り」の温度を随時測定し、温度の高い方の「冷水の返り」を再熱コイルに供給するように構成されているため、再熱コイルにおける加温効率が向上し、また、冷凍機に戻される「冷水の返り」温度を下げることができるので、冷凍機の負荷が低減され、冷凍機容量を小さくすることができると共に、省エネルギー化を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の空気調和装置において、前記冷却コイル及び／又は前記ドライコイルに供給される冷水が、冷凍機によって冷却されるように構成されていることを特徴とするものである。
上記のような構成を有する請求項２に記載の発明においては、冷却コイル及び／又はドライコイルに供給される冷水の冷却効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の空気調和装置において、前記加湿器が気化式加湿器であることを特徴とするものである。
上記のような構成を有する請求項３に記載の発明においては、気化式加湿器を用いることにより、加湿後の再凝縮（結露）を防止することができるため、ほぼ１００％ＲＨに近い最低の温度を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の空気調和装置において、前記加熱コイルの熱源として、前記冷凍機を冷却するための冷却水が用いられるように構成されていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一に記載の空気調和装置において、前記再熱コイルの下流側に第２の再熱コイルが配設され、その熱源として、前記冷凍機を冷却するための冷却水が用いられるように構成されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項４又は請求項５に記載の発明においては、加熱コイル及び／又は第２の再熱コイルの熱源として、冷凍機を冷却するための冷却水が用いられるので、本空気調和装置が設置される空調システム全体の運転効率を大幅に向上させることができる。

本発明の空気調和装置によれば、安定した温湿度制御、冷凍機容量の削減及び省エネルギー化を可能とした空気調和装置を提供することができる。

以下、本発明の空気調和装置に係る実施の形態（以下、実施形態という）の一例について、図面を参照して具体的に説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
図１は、本発明に係る空気調和装置の構成を示す模式図である。すなわち、本実施形態の空気調和装置のハウジング（図示せず）内部には、空気取入口側から、プレフィルタ１、中性能フィルタ２、冷却コイル３、加熱コイル４、気化式加湿器２０、再熱コイル２１、第２の再熱コイル２２、及び、処理空気をハウジング外へ吐出する送風機７が順次配設されている。また、空調空気が供給される室内Ｍには、ドライコイル３０が設けられている。なお、このドライコイル３０は、室内Ｍの湿度を落とさずに、温度（顕熱）のみを下げるために配設されている。

また、前記ドライコイル３０には、冷凍機（図示せず）から冷水を供給する冷水供給ライン３１が接続され、この冷水供給ライン３１には、第１のバルブ３２が設けられている。さらに、前記ドライコイル３０には、ドライコイル３０から排出された「冷水の返り」を冷凍機（図示せず）に戻すための冷水戻りライン３３が接続され、この冷水戻りライン３３には、第２のバルブ３４が設けられている。

また、前記冷水戻りライン３３には、前記再熱コイル２１に前記「冷水の返り」を供給するための再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン３５が設けられ、この再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン３５には、第３のバルブ３６が設けられている。さらに、前記再熱コイル２１から前記冷水戻りライン３３には、再熱コイル側冷水戻りライン３７が設けられ、再熱コイル２１において、熱源として利用された「冷水の返り」を冷凍機に戻すことができるように構成されている。さらに、前記冷水供給ライン３１と冷水戻りライン３３との間には、第４のバルブ３８を備えた分岐ライン３９が設けられている。

なお、上記気化式加湿器２０は吸水性あるいは親水性の気化式加湿素材から構成されており、その下部には水槽２２が配設され、水槽２２に回収された加湿用給水が再度気化式加湿器２０の上部に循環供給されるように構成されている。また、この加湿用給水としては純水を使用して、常時一定の補給、排水を行い、除湿・冷却を行う夏季においても、臭気等の水溶性ガス成分を除去するために、気化式加湿器への給水を行っている。

（１−２）作用
以上のような構成を有する本実施形態の空気調和装置の作用を、室内側の温湿度を２３℃、４５％と設定し、図２に示した空気線図を参照して、冷却除湿時（主として夏季）と、加温加湿時（主として冬季）とに分けて説明する。なお、図２に示したＡｗ〜Ｄｗ〜Ｅ〜Ｆ、Ａｓ〜Ｄｓ〜Ｅ〜Ｆは、図１に示したＡ〜Ｆの位置における空気の状態に対応し、ｗは冬季、ｓは夏季を示している。また、温度及び湿度等の具体的な値は例示であり、本発明がこれらの数値に限定されるものではない。また、ファンによる昇温とこれによる相対湿度低下は、理解を容易にするために、ここでは考えないものとする。

（１−２−１）夏季…冷却除湿時
夏季などの空気の除湿が必要な場合には、送風機７を作動させるとともに、冷却コイル３のバルブ（図示せず）を開とする。すると、ハウジングの空気取入口から外気（３４℃、６０％ＲＨ）が流入する。流入した空気は、フィルタ１、２を介して塵埃が濾過された後、冷却コイル３によって冷却され（Ａｓ〜Ｂｓ）、気化式加湿器２０によって加湿された後（Ｂｓ〜Ｄｓ、１０．５℃、約１００％ＲＨ）、再熱コイル２１に導入される。

この再熱コイル２１には、空調空気が供給される室内Ｍに設けられたドライコイル３０から「冷水の返り（１８℃）」が供給されるため、この「冷水の返り」によって処理空気は加温される（Ｄｓ〜Ｅ、１５℃）。そして、さらに、第２の再熱コイル２２によって加温されて（Ｅ〜Ｆ、１９℃）、室内Ｍに供給される。

（１−２−２）冬季…加温加湿時
一方、冬季のように空気の加温加湿が必要な場合には、送風機７及び気化式加湿器２０を作動させるとともに、加熱コイル４のバルブ（図示せず）を開とする。すると、ハウジングの空気取入口から外気が流入する（−２℃、３０％ＲＨ）。流入した空気は、フィルタ１、２を介して塵埃が濾過された後、加熱コイル４によって加熱される（２７．５℃）。これにより、図２のＡｗとＣｗとを結ぶ実線で示すように、乾球温度が推移する。

加熱コイル４で加熱された空気は、気化式加湿器２０による加湿が行われ、その後、再熱コイル２１に導入される。このとき、気化式加湿は温度低下を伴うので、図２のＣｗとＤｗとを結ぶ実線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する（１０．５℃、約１００％ＲＨ）。

この再熱コイル２１には、空調空気が供給される室内Ｍに設けられたドライコイル３０から「冷水の返り（１８℃）」が供給されるため、この「冷水の返り」によって処理空気は加温される（Ｄｗ〜Ｅ、１５℃）。そして、さらに、第２の再熱コイル２２によって加温されて（Ｅ〜Ｆ、１９℃）、室内Ｍに供給される。

（１−２−３）削減される冷却負荷
本実施形態の空気調和装置の冷却負荷は、その処理風量を１０００００ｍ³／ｈとすると、次式で表される。なお、この冷却負荷は、従来方式における冷凍機の負荷でもある。
（数１）
１０００００ｍ³／ｈ×１．２ｋｇ／ｍ³×（２０．７−７．２）ｋｃａｌ／ｋｇ＝１６２００００ｋｃａｌ／ｈ …（１）
なお、上式において、２０．７ｋｃａｌ／ｋｇはＡｓのエンタルピー、７．２ｋｃａｌ／ｋｇはＢｓ（＝Ｄｓ）のエンタルピーである。

一方、室内Ｍに設けられたドライコイル３０から排出される１８℃の「冷水返り」を再熱コイル２１に供給することにより、処理空気が１５℃（Ｅ）に加熱され、再熱コイル２１から排出される「冷水返り」の温度が低下する。このとき削減される冷凍機の冷却負荷は、空気側の加熱量を算出する次式により求められる。
（数２）
１０００００ｍ³／ｈ×１．２ｋｇ／ｍ³×（８．１７−７．２）ｋｃａｌ／ｋｇ＝１１６０００ｋｃａｌ／ｈ …（２）
なお、上式において、８．１７ｋｃａｌ／ｋｇはＥのエンタルピーである。

従って、冷凍機容量の低減率は、（１）式及び（２）式より、
（数３）
１１６０００ｋｃａｌ／ｈ ÷ １６２００００ｋｃａｌ／ｈ × １００＝７．２％ …（３）
となる。

（１−３）効果
このように、本実施形態によれば、室内に設置されたドライコイルからの「冷水の返り」を再熱コイルの熱源として利用することにより、「冷水の返り」温度を低くすることができるので、省エネ効果が得られる。

（２）第２実施形態
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であって、空気調和装置内の冷却コイルの「冷水の返り」を、再熱コイルに供給するように構成したものである。

（２−１）構成
本実施形態においては、図３に示したように、冷却コイル３には、冷凍機５０から冷水を供給する冷却コイル側冷水供給ライン５１が接続され、この冷却コイル側冷水供給ライン５１には、第５のバルブ５２が設けられている。

また、前記冷却コイル３には、冷却コイル３から排出された「冷水の返り」を冷凍機５０に戻すための冷却コイル側冷水戻りライン５３が接続され、この冷却コイル側冷水戻りライン５３には、第６のバルブ５４が設けられている。さらに、この冷却コイル側冷水戻りライン５３には、冷却コイル３から排出された「冷水の返り」を再熱コイル２１に供給するための再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン５５が設けられ、この再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン５５には、第７のバルブ５６が設けられている。

また、前記再熱コイル２１から前記冷凍機５０には、再熱コイル側冷水戻りライン５７が設けられ、再熱コイル２１において、熱源として利用された「冷水の返り」を冷凍機５０に戻すことができるように構成されている。

（２−２）作用
以上のような構成を有する本実施形態の空気調和装置は以下のように作用する。なお、本実施形態における空気線図は、上記第１実施形態と同様に、図２に示したようになる。また、本実施形態は、冷却コイル３を稼働させる夏季に有効である。

すなわち、上記第１実施形態で説明したように、夏季などの空気の除湿が必要な場合には、送風機７を作動させるとともに、冷却コイル側冷水供給ライン５１の第５のバルブ５２を開とする。すると、ハウジングの空気取入口から外気（３４℃、６０％ＲＨ）が流入する。流入した空気は、フィルタ１、２を介して塵埃が濾過された後、冷却コイル３によって冷却され（Ａｓ〜Ｂｓ）、気化式加湿器２０によって加湿された後（Ｂｓ〜Ｄｓ、１０．５℃、約１００％ＲＨ）、再熱コイル２１に導入される。

また、本実施形態においては、冷却コイル３から排出される「冷水の返り（１８℃）」を、再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン５５を介して、再熱コイル２１に供給することができるように構成されている。そのため、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、再熱コイル２１において、処理空気は冷却コイル３からの「冷水の返り」によって加温される（Ｄｓ〜Ｅ、１５℃）。そして、さらに、第２の再熱コイル２２によって加温されて（Ｅ〜Ｆ、１９℃）、室内Ｍに供給される。

（２−３）効果
このように、本実施形態によれば、冷却コイルからの「冷水の返り」を、再熱コイルの熱源として利用することができるので、結果的に、冷凍機５０に対して、冷凍機容量の低減と同時に省エネ効果が得られる。

（３）第３実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態及び第２実施形態を合体させたものであって、再熱コイルに導入される「冷水の返り」の供給源を、状況に合わせて、適宜ドライコイルあるいは冷却コイルのいずれかに切り替えることができるようにしたものである。

すなわち、本実施形態は、図４に示したように、室内Ｍに配設されたドライコイル３０には、ドライコイル３０から排出された「冷水の返り」を冷凍機５０に戻すための冷水戻りライン３３が接続され、この冷水戻りライン３３には、再熱コイル２１に「冷水の返り」を供給するための再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン３５が設けられ、この再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン３５には、第３のバルブ３６が設けられている。

一方、冷却コイル３に接続された冷却コイル側冷水戻りライン５３には、冷却コイル３から排出された「冷水の返り」を再熱コイル２１に供給するための再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン５５が設けられ、この再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン５５には、第７のバルブ５６が設けられている。

そして、これら再熱コイル側「冷水の返り」供給ライン３５、５５は、共通配管６０に接続され、それぞれから排出される「冷水の返り」を再熱コイルに供給することができるように構成されている。なお、共通配管６０には第８のバルブ６１が設けられている。

このような構成を有する本実施形態においては、前記第３のバルブ３６及び第７のバルブ５６の開閉を制御することにより、再熱コイルに導入される「冷水の返り」の供給源を、ドライコイル３０あるいは冷却コイル３のいずれかに切り替えることができる。

なお、「冷水の返り」の供給源を、ドライコイル３０あるいは冷却コイル３のいずれに切り替えるかの判断は、両者の「冷水の返り」の温度を検出し、温度の高い方の「冷水の返り」を使用するように構成されている。その結果、再熱コイル２１での熱交換効率が高くなるので、より高効率の空気調和装置を得ることができる。

（４）第４実施形態
本実施形態は、上記第２実施形態の変形例であって、図５に示したように、加湿器として蒸気式加湿器を用いたものである。なお、加湿器が蒸気式加湿器５である点以外は、上記第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。また、本実施形態における空気線図は、図６に示したようになる。

本実施形態のような蒸気加湿方式の空気調和装置においては、蒸気ノズルは局所的に設置されるため、空気全体を１００％ＲＨにすることは困難であり、加湿後の再凝縮（結露）を防ぐために、相対湿度が７０〜８０％程度となるように設定して運転せざるを得なかった。このため、再熱コイルによる再熱量、すなわち、冷凍機に対しての冷却負荷低減量は、上記第１〜第３実施形態に示した気化式加湿器を使用した場合に比較して小さくなる。

（５）他の実施形態
上記第１〜第３実施形態では、いずれも夏季において気化式加湿器を運転し、対象空気中の臭気等のガス成分を吸収除去するように構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、加湿装置は、冬季の加湿必要時にのみ運転する等、適宜設計変更することができることは言うまでもない。また、上記第１〜第３実施形態で示した冷却コイルと加熱コイルの配置順は特に限定されず、逆でも良い。

また、再熱コイルに利用される「冷水の返り」は、冷凍機に戻り、再度冷却されて循環利用されるものであれば、上記の各実施形態で示した冷却コイルやドライコイル等の空気を冷却するものに限らず、種々の生産装置を冷却するために用いられた「冷水の返り」であっても良い。

本発明に係る空気調和装置の第１実施形態の構成を示す模式図である。 第１実施形態の空気調和装置の作用を説明する空気線図である。 本発明に係る空気調和装置の第２実施形態の構成を示す模式図である。 本発明に係る空気調和装置の第３実施形態の構成を示す模式図である。 本発明に係る空気調和装置の第４実施形態の構成を示す模式図である。 第４実施形態の空気調和装置の作用を説明する空気線図である。 従来から用いられている蒸気加湿方式の空気調和装置の構成を示す模式図である。 図７に示した従来の空気調和装置の作用を説明する空気線図である。

符号の説明

１…プレフィルタ
２…中性能フィルタ
３…冷却コイル
４…加熱コイル
５…蒸気加湿器
６…再熱コイル
７…送風機
２０…気化式加湿器
２１…再熱コイル
２２…第２の再熱コイル
３０…ドライコイル

Claims (5)

1. 吸気口と給気口とを有するチャンバ内に、冷水循環式の冷却コイルと、加熱コイルと、加湿器と、再熱コイルとを配設してなる空気調和装置であって、
   前記再熱コイルに、前記冷却コイルから排出される冷水、あるいは、前記給気口から供給される処理空気が導入される室内に配設された冷水循環式のドライコイルから排出される冷水のうち、温度の高い冷水が選択的に供給されるように構成されていることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記冷却コイル及び／又は前記ドライコイルに供給される冷水が、冷凍機によって冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記加湿器が、気化式加湿器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記加熱コイルの熱源として、前記冷凍機を冷却するための冷却水が用いられるように構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の空気調和装置。
5. 前記再熱コイルの下流側に第２の再熱コイルが配設され、その熱源として、前記冷凍機を冷却するための冷却水が用いられるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一に記載の空気調和装置。

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