JP5102195B2 - 温度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、温調対象流体を冷却させる冷却用熱交換器と、その冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を加熱する加熱手段とを備え、前記加熱手段を通過した温調対象流体を空調対象空間に供給する温度調整装置に関する。

従来の温度調整装置は、例えば、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、蒸発器を冷却用熱交換器として用いている。そして、蒸発器にて冷媒と温調対象流体とを熱交換させて温調対象流体を冷却し、その冷却された温調対象流体を加熱手段にて加熱することにより、温調対象流体の温度を目標温度範囲（例えば、目標温度（２０℃）±０．１℃の範囲）内に調整している。そして、温調対象流体は、例えば、空調対象空間に供給する温調対象空気としており、このように温調された目標温度範囲の温調対象空気を空調対象空間に供給するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−３９３４５号公報

例えば、工場等では温調対象流体を温調することに加えて、圧縮空気等の温調対象流体とは別の流体を温調したり、各種機器を冷却する等、別の用途でも熱を利用することが求められている場合がある。
そこで、例えば、温度調整装置とは別に熱を発生させる熱源装置を設け、その熱源装置にて発生した熱を別の用途に利用することが考えられる。しかしながら、この場合には、あらたに熱源装置を設けなければならず、コストアップを招くことになる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、温調対象流体を温調することに加えて、装置が発生する熱を別の用途でも利用可能とする温度調整装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る温度調整装置の特徴構成は、温調対象流体を冷却させる冷却用熱交換器と、その冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を加熱する加熱手段とを備え、前記加熱手段を通過した温調対象流体を空調対象空間に供給する温度調整装置において、
前記冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を、前記加熱手段に供給する第１分岐温調対象流体と前記冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体が有する熱を利用する熱利用部に供給する第２分岐温調対象流体とに分岐させる分岐手段と、
前記熱利用部を通過した前記第２分岐温調対象流体を前記加熱手段に供給される前の前記第１分岐温調対象流体に合流させる合流手段とが備えられている点にある。

本特徴構成によれば、分岐手段が、第１分岐温調対象流体を加熱手段に供給するだけでなく、冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体の一部である第２分岐温調対象流体を熱利用部に供給するので、熱利用部では、第２分岐温調対象流体と熱媒体等を熱交換させる等により第２分岐温調対象流体が有する冷熱を取得できる。よって、その取得した冷熱を用いて、温調対象流体とは別の流体を温調したり、各種機器を冷却することができ、別の用途でも熱を利用可能となる。したがって、温調対象流体を温調することに加えて、装置が発生する熱を別の用途でも利用可能となる。

しかも、単に、装置が発生する熱を別の用途でも利用可能とするだけでなく、温調対象流体を温調するための熱交換器と熱利用部に供給する熱を取得するための熱交換器とを冷却用熱交換器にて兼用して、構成の簡素化を図ることができる。
また、合流手段は、熱利用部を通過した第２分岐温調対象流体を、装置外に排気させるのではなく、加熱手段に供給される前の第１分岐温調対象流体に合流させるので、熱利用部を通過した第２分岐温調対象流体を装置外に排気するための排気路等を別途設けなくてもよく、それら温調対象流体の全てを空調対象空間へ供給することができ、この点でも構成の簡素化を図ることができる。そして、第１分岐温調対象流体は、第２分岐温調対象流体の合流により温度が変化することになるが、合流後の第１分岐温調対象流体及び第２分岐温調対象流体は加熱手段にて加熱されて温調される。これにより、第１分岐温調対象流体よりも多くの温調対象流体を精密に温調して、それを空調対象空間の温調用に利用できながら、構成の簡素化を図ることができる。

以上のことから、温調対象流体を温調することに加えて、装置が発生する熱を別の用途でも利用可能としながら、空調対象空間を精密に温調された多くの温調対象流体にて精密に温調するという元々の機能を損なうことなく、構成の簡素化を図ることができる温度調整装置を実現できる。

本発明に係る温度調整装置の更なる特徴構成は、前記熱利用部は、前記温調対象流体とは別の別温調対象流体と前記第２分岐温調対象流体とを熱交換させて前記別温調対象流体を冷却させる熱利用熱交換器にて構成されている点にある。

本特徴構成によれば、熱利用部では、熱利用熱交換器にて例えば圧縮空気等の別温調対象流体を冷却させることができる。よって、例えば圧縮空気等の別温調対象流体を温調させるという別の用途に装置が発生する熱を利用することができる。

本発明に係る温度調整装置の更なる特徴構成は、圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷凍サイクルと、前記蒸発器において前記冷媒にて冷却された熱伝達用液体を前記冷却用熱交換器に供給して、前記熱伝達用液体と前記温調対象流体とを熱交換させる熱伝達用液体供給手段とを備えている点にある。

蒸発器における冷媒を熱源として温調対象流体を冷却させるに当たり、蒸発器において冷媒と温調対象流体とを熱交換させると、温調対象流体を均一に冷却することが難しい。すなわち、例えば、冷媒の状態変化の度合い等によって蒸発器における入口側を通流する冷媒の温度と出口側を通流する冷媒の温度とが異なる等、蒸発器の全体に亘って冷媒の温度を均一にすることが難しい。よって、蒸発器において冷媒にて温調対象流体を冷却すると、温調対象流体を均一に冷却することが難しく、温調対象流体に温度むらが生じる場合がある。

そこで、本特徴構成によれば、蒸発器において、冷媒にて温調対象流体を冷却させるのではなく、冷媒にて熱伝達用液体を冷却させている。そして、熱伝達用液体供給手段が、蒸発器にて冷却された熱伝達用液体を冷却用熱交換器に供給して、熱伝達用液体と温調対象流体との熱交換により温調対象流体を冷却させるようにしている。熱伝達用液体は、冷媒と比べて比重が大きいので、熱伝達用液体と温調対象流体とを熱交換させる際に、熱伝達用液体の温度を均一にすることができる。よって、温調対象流体を温度むらがなく均一な温度に冷却することができる。

本発明に係る温度調整装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
この温度調整装置Ｄは、図１に示すように、温調対象流体Ｐを冷却したのち加熱して目標温度範囲に温調するとともに、装置が発生する熱を熱利用部１１にて利用して別温調対象流体Ｑを冷却するように構成されている。ここで、例えば、温調対象流体Ｐは、空調対象空間Ｋを温調するために空調対象空間Ｋに供給する温調対象空気が用いられ、別温調対象流体Ｑは、圧縮空気が用いられている。
また、この温度調整装置Ｄは、温調した温調対象流体Ｐを空調対象空間Ｋに供給して空調対象空間Ｋを温調するとともに、空調対象空間Ｋの温調対象流体Ｐの少なくとも一部を温度調整装置Ｄに戻して温調するように構成されている。つまり、温度調整装置Ｄと空調対象空間Ｋとの間で温調対象流体Ｐを循環して空調対象空間Ｋを温調するように構成されている。

温度調整装置Ｄは、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３（膨張部に相当する）、蒸発器４の順に冷媒Ａ（図中点線矢印参照）を循環させる冷媒回路５を備えた冷凍サイクルＣと、蒸発器４において冷媒Ａにて冷却された熱伝達用液体Ｂ（図中実線矢印参照）を循環させる液体回路６（熱伝達用液体供給手段に相当する）とを備えて構成されている。ここで、熱伝達用液体Ｂとして、例えば水が用いられている。

液体回路６には、熱伝達用液体Ｂの流れ方向において、膨張された冷媒Ａと熱伝達用液体Ｂとを熱交換させて熱伝達用液体Ｂを冷却する蒸発器４と、蒸発器４にて冷却された熱伝達用液体Ｂと温調対象流体Ｐとを熱交換させる冷却用熱交換器７と、熱伝達用液体Ｂを循環させる液体ポンプ８と、熱伝達用液体Ｂと圧縮機１から吐出された冷媒Ａの一部とを熱交換させる第１再熱器９とが備えられている。熱伝達用液体Ｂは、蒸発器４において冷媒Ａにて冷却され、その冷却により取得した冷熱を用いて冷却用熱交換器７にて温調対象流体Ｐを冷却させるように構成されている。

そして、温度調整装置Ｄには、温調対象流体Ｐを送風させる送風ファン１０が備えられている。また、温度調整装置Ｄには、冷却用熱交換器７において熱伝達用液体Ｂにて冷却された温調対象流体Ｐを、第２再熱器１２に供給する第１分岐温調対象流体Ｐ１と熱利用部１１に供給する第２分岐温調対象流体Ｐ２とに分岐させる分岐手段２１と、熱利用部１１を通過した第２分岐温調対象流体Ｐ２を第２再熱器１２に供給される前の第１分岐温調対象流体Ｐ１に合流させる合流手段２２とが備えられている。

分岐手段２１は、詳細な図示は省略するが、冷却用熱交換器７を通過した温調対象流体Ｐの流路を分岐させる分岐流路にて構成されている。そして、分岐手段２１は、冷却用熱交換器７を通過した第１分岐温調対象流体Ｐ１を第２再熱器１２に導く第１分岐流路２３と、冷却用熱交換器７を通過した第２温調対象流体Ｐ２を熱利用部１１に導く第２分岐流路２４とから構成されている。第１分岐流路２３及び第２分岐流路２４は、第１分岐流路２３での第１分岐温調対象流体Ｐ１の流量と第２分岐流路２４での第２分岐温調対象流体Ｐ２の流量との関係が予め設定された関係（例えば１対１）となるように流路面積等が調整されている。また、例えば、各流路にダンバー等を設けて各流路における温調対象流体Ｐの流量を調整可能に構成することもできる。
合流手段２２は、熱利用部１１を通過した第２分岐温調対象流体Ｐ２を第１分岐流路２３の途中部分に供給する流路にて構成されている。

第２再熱器１２は、第１分岐温調対象流体Ｐ１及びこれに合流させた第２分岐温調対象流体Ｐ２と圧縮機１から吐出された冷媒Ａの一部を熱交換させて温調対象流体Ｐを加熱するように構成されており、この第２再熱器１２が加熱手段に相当する。熱利用部１１は、別温調対象流体Ｑと第２分岐温調対象流体Ｐ２とを熱交換させて別温調対象流体Ｑを冷却させる熱利用熱交換器にて構成されている。

温調対象流体Ｐは、冷却用熱交換器７において熱伝達用液体Ｂにて所望温度に冷却され、分岐手段２１により第１分岐温調対象流体Ｐ１と第２分岐温調対象流体Ｐ２とに分岐される。そして、熱利用部１１では、第２分岐温調対象流体Ｐ２と別温調対象流体Ｑとが熱交換されて、別温調対象流体Ｑを所望温度に冷却する。これにより、温調対象流体Ｐを温調することに加えて、冷却用熱交換器７にて取得した冷熱を熱利用部１１にて別温調対象流体Ｑを温調するという別の用途に用いることができる。また、温調対象流体Ｐを温調するための熱交換器と熱利用部１１に供給する熱を取得するための熱交換器とを冷却用熱交換器７にて兼用しており、構成の簡素化を図っている。
そして、第１分岐温調対象流体Ｐ１は、第２分岐温調対象流体Ｐ２の合流によりその温度が変化するが、合流後の第１分岐温調対象流体Ｐ１及び第２分岐温調対象流体Ｐ２が第２再熱器１２にて所望温度に加熱される。これにより、第２分岐温調対象流体Ｐ２を装置外に排気させる排気路を設けずに、第１分岐温調対象流体Ｐ１と第２分岐温調対象流体Ｐ２との温調対象流体Ｐの全てを空調対象空間Ｋへ供給することができ、精密に温調された多くの温調対象流体Ｐにて空調対象空間Ｋを精密に温調するという元々の機能を損なうことがない。

この温度調整装置Ｄは、空調対象空間Ｋとの間で温調対象流体Ｐを循環して空調対象空間Ｋを温調するように構成されている。例えば、空調対象空間Ｋから温度調整装置Ｄに戻された温調対象流体Ｐの一部を装置外に排気させると、循環させる温調対象流体Ｐの流量を確保するために外気を取り入れる必要がある。この場合には、全く温調されていない外気を取り入れることになり、温調対象流体Ｐを精密に温調し難くなり、空調対象空間Ｋの温調を精密に行い難くなる可能性がある。また、外気には、塵埃等が含まれている場合があり、外気の取り入れにより空調対象空間Ｋのクリーン度が低下する可能性がある。
本発明に係る温度調整装置Ｄでは、空調対象空間Ｋから温度調整装置Ｄに戻された温調対象流体Ｐを第１分岐温調対象流体Ｐ１と第２分岐温調対象流体Ｐ２とに分岐させるが、第１分岐温調対象流体Ｐ１と第２分岐温調対象流体Ｐ２と合流させてその合流後の第１分岐温調対象流体Ｐ１及び第２分岐温調対象流体Ｐ２を精密に温調して空調対象空間Ｋに供給するようにしている。これにより、空調対象空間Ｋから温度調整装置Ｄに戻された温調対象流体Ｐの全てを精密に温調して空調対象空間Ｋに供給することができるので、温調対象流体Ｐの流れとしては、温度調整装置Ｄと空調対象空間Ｋとの間で循環する閉回路とすることができる。よって、外気を取り入れる必要がない又はほとんどなくなり、空調対象空間Ｋの温調を精密に行い難くなる、或いは、空調対象空間Ｋのクリーン度が低下するという問題の発生を防止することができる。

温度調整装置Ｄには、熱利用部１１にて冷却された別温調対象流体Ｑと圧縮機１から吐出された冷媒Ａの一部と熱交換させる第３再熱器１３が設けられている。これにより、別温調対象流体Ｑは、熱利用部１１において第２分岐温調対象流体Ｐ２にて冷却されたのち、第３再熱器１３において冷媒Ａにて所望温度に加熱されて、目的の供給箇所に供給される。

冷媒回路５において、圧縮機１と凝縮器２との間から分岐されて凝縮器２と膨張弁３との間に合流される分岐合流路１４が設けられている。そして、分岐合流路１４は、互いに並列状態で接続された第１分岐合流路１５と第２分岐合流路１６と第３分岐合流路１７とを備えている。
第１分岐合流路１５には、冷媒Ａの流れ方向の上流側から順に、冷媒Ａの断続及び冷媒Ａの流量を調整自在な第１冷媒調整弁１８、第１再熱器９が設けられている。第２分岐合流路１６には、冷媒Ａの流れ方向の上流側から順に、冷媒Ａの断続及び冷媒Ａの流量を調整自在な第２冷媒調整弁１９、第２再熱器１２が設けられている。第３分岐合流路１７には、冷媒Ａの流れ方向の上流側から順に、冷媒Ａの断続及び冷媒Ａの流量を調整自在な第３冷媒調整弁２０、第３再熱器１３が設けられている。

温調対象流体Ｐ及び別温調対象流体Ｑを温調させるときの動作について説明する。
まず、蒸発器４を流れる冷媒Ａの冷熱を熱伝達用液体Ｂが取得するために、蒸発器４において冷媒Ａと熱伝達用液体Ｂとを熱交換させて冷媒Ａにて熱伝達用液体Ｂを所望温度に冷却する。例えば、蒸発器４を通流させる冷媒Ａの通流量や熱伝達用液体Ｂの通流量等を調整することにより、熱伝達用液体Ｂを所望温度に冷却させる。そして、例えば、蒸発器４に供給される熱伝達用液体Ｂの温度を２０℃とし、蒸発器４を通過した熱伝達用液体Ｂの温度を１５℃としている。

このように熱伝達用液体Ｂが取得した冷熱を用いて、冷却用熱交換器７において熱伝達用液体Ｂにて温調対象流体Ｐを所望温度に冷却する。例えば、冷却用熱交換器７を通過した温調対象流体Ｐの温度を検出する図外の温度センサの検出情報に基づいて熱伝達用液体Ｂの通流量等を調整することにより、温調対象流体Ｐを例えば１７±１．０℃の所望温度に冷却させる。このとき、例えば、冷却用熱交換器７に供給される熱伝達用液体Ｂの温度を１５℃とし、冷却用熱交換器７を通過した熱伝達用液体Ｂの温度を１７℃としている。一方、冷却用熱交換器７に供給される温調対象流体Ｐの温度を２２℃としている。

そして、冷却用熱交換器７にて冷却されたのち分岐された第２分岐温調対象流体Ｐ２が、取得した冷熱を用いて熱利用部１１において別温調対象流体Ｑを所望温度に冷却させる。このとき、例えば、熱利用部１１に供給される別温調対象流体Ｑの温度を２２℃とし、熱利用部１１を通過した別温調対象流体Ｑの温度を１８℃とし、熱利用部１１を通過した第２分岐温調対象流体Ｐ２の温度を１９℃としている。

第１分岐温調対象流体Ｐ１は、第２分岐温調対象流体Ｐ２が合流され、合流後の第１分岐温調対象流体Ｐ１及び第２分岐温調対象流体Ｐ２が、第２再熱器１２にて所望温度に加熱されて空調対象空間Ｋに供給される。例えば、第２再熱器１２を通過した温調対象流体Ｐの温度を検出する図外の温度センサの検出情報に基づいて第２冷媒調整弁１９の開度等を調整することにより、温調対象流体Ｐを例えば２０±０．１℃の所望温度に精密に温調させる。

熱利用部１１にて冷却された別温調対象流体Ｑは、第３再熱器１３にて所望温度に加熱されて、別温調対象流体Ｑを使用する目的の箇所に供給される。例えば、第３再熱器１３を通過した別温調対象流体Ｑの温度を検出する図外の温度センサの検出情報に基づいて第３冷媒調整弁２０の開度等を調整することにより、別温調対象流体Ｑを２０℃の所望温度に温調させる。

ちなみに、液体回路６に第１再熱器９を設けているので、温調対象流体Ｐや別温調対象流体Ｑを温調させる必要がない無負荷状態であるときに、第１冷媒調整弁１８を開弁することにより第１再熱器９において冷媒Ａにて熱伝達用液体Ｂを加熱させる。そして、第１再熱器９にて加熱された熱伝達用液体Ｂを蒸発器４に供給することにより、蒸発器４における凍結等を防止するようにしている。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態において、第１再熱器９、第２再熱器１２、第３再熱器１３の夫々について、例えば、電気ヒータ等の加熱手段に代えて実施することもできる。また、第１再熱器９及び第３再熱器１３については省略することもできる。

（２）上記実施形態において、別温調対象流体Ｑを圧縮空気としているが、温調対象流体と別温調対象流体とは別の流体であればよく、例えば、各種機器を冷却するために用いる冷却水を別温調対象流体Ｑとすることも可能である。これにより、熱利用部１１にて取得した冷熱を各種機器を冷却する用途に用いることができる。

（３）上記実施形態では、液体回路６を設け、蒸発器４において冷媒Ａにて冷却された熱伝達用液体Ｂを冷却用熱交換器７に供給することにより、温調対象流体Ｐを冷却させるようにしているが、例えば、蒸発器４をそのまま冷却用熱交換器７として用いて、冷媒Ａにて温調対象流体Ｐを直接冷却させるようにしてもよい。

（４）上記実施形態では、本発明に係る温度調整装置Ｄとして、空調対象空間Ｋとの間で温調対象流体Ｐを循環して空調対象空間Ｋを温調するものを例示したが、例えば、温度調整装置は、空調対象空間との間で循環される温調対象流体に外気を取り入れて、その外気を取り入れた温調対象流体を温調して空調対象空間に供給するように構成することもでき、温度調整装置がどのような流体を温調対象流体とするかについては適宜変更が可能である。

本発明は、温調対象流体を冷却させる冷却用熱交換器と、その冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を加熱する加熱手段とを備え、加熱手段を通過した温調対象流体を空調対象空間に供給し、温調対象流体を温調することに加えて、装置が発生する熱を別の用途でも利用可能とする各種の温度調整装置に適応可能である。

温度調整装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張部（膨張弁）
４ 蒸発器
６ 熱伝達用液体供給手段（液体回路）
７ 冷却用熱交換器
１１ 熱利用部（熱利用熱交換器）
１２ 加熱手段（第２再熱器）
２１ 分岐手段
２２ 合流手段
Ａ 冷媒
Ｂ 熱伝達用液体
Ｃ 冷凍サイクル
Ｄ 温度調整装置
Ｋ 空調対象空間
Ｐ 温調対象流体
Ｐ１ 第１分岐温調対象流体
Ｐ２ 第２分岐温調対象流体
Ｑ 別温調対象流体

Claims (3)

1. 温調対象流体を冷却させる冷却用熱交換器と、その冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を加熱する加熱手段とを備え、前記加熱手段を通過した温調対象流体を空調対象空間に供給する温度調整装置であって、
   前記冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体を、前記加熱手段に供給する第１分岐温調対象流体と前記冷却用熱交換器にて冷却された温調対象流体が有する熱を利用する熱利用部に供給する第２分岐温調対象流体とに分岐させる分岐手段と、
   前記熱利用部を通過した前記第２分岐温調対象流体を前記加熱手段に供給される前の前記第１分岐温調対象流体に合流させる合流手段とが備えられている温度調整装置。
2. 前記熱利用部は、前記温調対象流体とは別の別温調対象流体と前記第２分岐温調対象流体とを熱交換させて前記別温調対象流体を冷却させる熱利用熱交換器にて構成されている請求項１に記載の温度調整装置。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張部、蒸発器の順に冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
   前記蒸発器において前記冷媒にて冷却された熱伝達用液体を前記冷却用熱交換器に供給して、前記熱伝達用液体と前記温調対象流体とを熱交換させる熱伝達用液体供給手段とを備えている請求項１又は２に記載の温度調整装置。

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