JP2004156854A - 空気調和装置とその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】冬期だけでなく中間期でも、実際に、外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できる空気調和装置を提供すること。
【解決手段】外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室１７へ送る外調機１４を備える。冷凍機１と外調機１４との間で冷水を循環させるための往路５−１，５Ｂ−１および復路５−２，５Ｂ−２を備える。この復路に介挿された還り冷水ヘッダ３から、冷水を外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスさせるためのバイパス路９０を備える。制御手段９によって、バイパス路９０を通した冷水のバイパスを実行するか否かの切り替え制御を行う。バイパスを実行するのは、外気の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室１７の目標露点よりも低いときに限る。それ以外のときは、バイパスを禁止する。
【選択図】 図１
【解決手段】外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室１７へ送る外調機１４を備える。冷凍機１と外調機１４との間で冷水を循環させるための往路５−１，５Ｂ−１および復路５−２，５Ｂ−２を備える。この復路に介挿された還り冷水ヘッダ３から、冷水を外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスさせるためのバイパス路９０を備える。制御手段９によって、バイパス路９０を通した冷水のバイパスを実行するか否かの切り替え制御を行う。バイパスを実行するのは、外気の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室１７の目標露点よりも低いときに限る。それ以外のときは、バイパスを禁止する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は空気調和装置に関し、より詳しくは、外気を処理して被空調室へ送る外調機と、この外調機に対して冷凍機によって冷却された冷水を循環させる閉回路を備えた空気調和装置に関する。
【０００２】
また、この発明はそのような空気調和装置を制御する空気調和装置の制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
例えば半導体製造工場内部は、温度２４℃、湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要があるが、数百℃以上の発熱を伴う製造設備を多く収容している結果、一年中冷却される必要がある。
【０００４】
従来、そのような用途のために空気調和装置としては、図３に示すようなものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この空気調和装置は、外気と冷水との間で熱交換を行うことにより外気を処理して室内へ吹き出す外調機１１４と、冷凍機（図示せず）が送り出した冷水を循環させるための往路配管１０５および復路配管１０４とを備えている。往路配管１０５は、弁１２０ｄが介挿された配管１８５を介して冷水コイル１１３の一方の端部１１３ｂへ接続されている。一方、復路配管１０４とは、弁１２０ａが介挿された配管１８４を介して冷水コイル１１３の他方の端部１１３ａへ接続されている。冷水コイル１１３の端部１１３ａは冷水循環ポンプ１０６と弁１２０ｂとが介挿された配管１９４を介して冷水還り配管２００（逆止弁１０７よりも上流側の部分）へ接続されている。一方、冷水コイル１１３の端部１１３ｂは、弁１２０ｃが介挿された配管１９５を介して冷水還り配管２００（逆止弁１０７よりも下流側の部分）へ接続されている。
【０００５】
外気の温度および湿度が高くなる夏期には、手動で弁１２０ｄ，１２０ａを開とし、かつ弁１２０ｃ，１２０ｂを閉とする。これにより、冷凍機から出て、往路配管１０５、配管１８５、冷水コイル１１３、配管１８４、復路配管１０４を介して上記冷凍機に戻る閉回路を形成して、この閉回路に冷水を循環させる。外調機１１４は、フィルタ１１２を通して外気１１５を取り込み、冷水コイル１１３表面を通過させて外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気１１６をブロワ１５０によって被空調室（図示せず）へ吹き出す（これを「除湿運転」と呼ぶ。）。
【０００６】
逆に、外気の温度および湿度が低くなる冬期には、手動で弁１２０ｃ，１２０ｂを開とし、かつ弁１２０ｄ，１２０ａを閉とする。これとともに、冷水循環ポンプ１０６を運転する。これにより、高温の還り冷水を冷水循環ポンプ１０６から配管１９４を通して冷水コイル１１３に送り、冷水コイル１１３で外気と熱交換させる。外調機１１４は、フィルタ１１２を通して外気１１５を取り込み、冷水コイル１１３表面を通過させて外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気１１６をブロワ１５０によって被空調室（図示せず）へ吹き出す（これを「加湿運転」と呼ぶ。）。冷水コイル１１３で冷やされて低温となった冷水は、配管１９５を通して冷水還り配管２００へ戻される。このように、外気を利用して還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収している。これにより、冷凍機の負荷を低減し、電力エネルギの削減を図っている。
【０００７】
【非特許文献１】
「半導体産業における省エネルギー対策事例集」第２版，社団法人電子機械工業会，平成１２年５月，ｐ．１０８
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、日本国では、４月〜５月、１０月〜１１月など、図５に示すように夜間（１９時〜翌１２時）には外気温度が１２℃以下に下がって加湿運転となるが、昼間（１２時〜１９時）には外気温度が上昇して除湿運転となる時期（これを「中間期」と呼ぶ。）がある。
【０００９】
しかしながら、上記従来の空気調和装置では、弁１２０ｃ，１２０ｂ，１２０ｄ，１２０ａの開閉と循環ポンプ１０６の運転の切り替え操作を手動で行うようになっているため、切り替え操作に手間がかかる。このため、現実問題として、毎日のように頻繁に切り替え操作を行うことはできない。この結果、中間期には、夜間には外気を利用して冷熱を回収する余地があるにもかかわらず、実際には電力エネルギを削減することができない。外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できるのは、実際には冬期のみとなる。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、冬期だけでなく中間期でも、実際に、外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できる空気調和装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明の空気調和装置は、
受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路と、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する切り替え制御を行う制御手段とを備える。
【００１２】
この発明の空気調和装置では、夏期や中間期の昼間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が被空調室の目標露点以上であるとき、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する制御を行う。このとき、この空気調和装置は、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転を行う。すなわち、冷凍機から送り出された低温の冷水は、往路を通して外調機に入り、熱交換に用いられる。外調機は、外気を取り込み、外気と低温の冷水との間で熱交換を行って外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって高温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００１３】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室の目標露点よりも低いとき、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する制御を行う。これにより、還り冷水ヘッダに流入する高温の冷水（還り冷水）が上記バイパス路を通して上記外調機に入り、この熱交換器で外気と熱交換する。外調機は、外気を取り込み、外気と高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。このように、外気を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機の負荷を低減できる。
【００１４】
上述のように、この発明の空気調和装置は、外気の状態に応じて、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパス（これを「バイパス運転」と呼ぶ。）を実行するか否かを切り替える制御を行う。この制御手段による切り替え制御は、自動で頻繁に行うことができる。したがって、この発明の空気調和装置によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００１５】
なお、外気の状態がバイパス運転のための条件を満たしているか否かを制御手段が容易に判断できるように、外気の温度および露点を検出するセンサと、上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度を検出するセンサとを備えるのが望ましい。
【００１６】
一実施形態の空気調和装置は、上記制御手段によって制御されるポンプが上記バイパス路に介挿されていることを特徴とする。
【００１７】
この一実施形態の空気調和装置では、上記制御手段によって制御されるポンプが上記バイパス路に介挿されている。したがって、バイパス運転時にこのポンプを稼動させることによって、還り冷水ヘッダから冷水を上記外調機の冷水入口へ円滑にバイパスさせることができる。
【００１８】
一実施形態の空気調和装置は、
上記冷凍機から外調機への往路に介挿された往き冷水ヘッダから、それぞれ熱交換が行われる複数の分岐経路が分岐し、これらの分岐経路を介して冷水が上記還り冷水ヘッダに流入するようになっており、
上記還り冷水ヘッダの本体の外面に、上記バイパス路へのバイパス用ポートと、上記複数の分岐経路からの各々の流入用ポートとが配列され、
上記バイパス用ポートに対して、それらの流入用ポートは各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられていることを特徴とする。
【００１９】
この一実施形態の空気調和装置では、上記還り冷水ヘッダの本体の外面に、上記バイパス路へのバイパス用ポートと、上記複数の分岐経路からの各々の流入用ポートとが配列されている。そして、上記バイパス用ポートに対して、それらの流入用ポートは各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。つまり、上記バイパス用ポートに対して近い位置に存在する流入用ポートには、高い温度の冷水が流入する。したがって、バイパス運転時に還り冷水ヘッダから外調機の冷水入口へバイパスされるのは、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分となる。この結果、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分が、外調機によって冷却される。そして、外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。したがって、効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機は、外気と、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分との間で熱交換を行う。したがって、外調機で外気に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）を削減できる。
【００２０】
一実施形態の空気調和装置は、上記往き冷水ヘッダから外調機への往路に介挿された制御弁を備え、上記制御手段は、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行するとき、上記制御弁を全閉にすることを特徴とする。
【００２１】
この一実施形態の空気調和装置では、上記制御手段は、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行するとき、上記往き冷水ヘッダから外調機への往路に介挿された制御弁を全閉にする。したがって、バイパス運転時に、往き冷水ヘッダから外調機への往路が上記制御弁によって遮断され、往き冷水ヘッダからの低温の冷水が外調機に流入しない。この結果、外調機によって冷却されるのは、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分のみとなる。そして、外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。したがって、さらに効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機は、外気と、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分のみとの間で熱交換を行う。したがって、外調機で外気に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）をさらに削減できる。
【００２２】
また、この発明の空気調和装置の制御方法は、
受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路とを備えた空気調和装置を制御手段によって制御する制御方法であって、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止することを特徴とする空気調和装置の制御方法。
【００２３】
この発明の空気調和装置の制御方法では、夏期や中間期の昼間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が被空調室の目標露点以上であるとき、制御手段によって、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する。このとき、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転が行われる。すなわち、冷凍機から送り出された低温の冷水は、往路を通して外調機に入り、熱交換に用いられる。外調機は、外気を取り込み、外気と低温の冷水との間で熱交換を行って外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって高温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００２４】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室の目標露点よりも低いとき、制御手段によって、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する。これにより、還り冷水ヘッダに流入する高温の冷水（還り冷水）が上記バイパス路を通して上記外調機に入り、この熱交換器で外気と熱交換する。外調機は、外気を取り込み、外気と高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。このように、外気を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機の負荷を低減できる。
【００２５】
上述のように、この発明の空気調和装置の制御方法では、外気の状態に応じて、上記バイパス路を通した冷水のバイパス（これを「バイパス運転」と呼ぶ。）を実行するか否かを切り替える。この切り替えは、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）のような制御手段によって自動で頻繁に行うことができる。したがって、この発明の空気調和装置の制御方法によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態の空気調和装置の概略構成を示している。
【００２８】
この空気調和装置は、冷凍機１と、外調機１４と、上記冷凍機１と外調機１４との間で冷水を循環させるための往路５−１，５Ｂ−１および復路５Ｂ−２，５−２とを備えている。なお、付け加えられた符号「−１」は熱交換に用いられる前の冷水が通る往路であることを意味し、付け加えられた符号「−２」は熱交換に用いられた後の冷水が通る復路であることを意味する（以下同様。）。
【００２９】
この空気調和装置によって空調されるべき被空調室１７は、この例では半導体製造工場のクリーンルームであり、その内部は目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要がある。被空調室１７内には、高温を発生する半導体製造装置と、それを冷却するための熱交換器２３が設けられている。
【００３０】
冷凍機１は、復路５−２から受け取った冷水を、断熱圧縮・断熱膨張のための機械仕事（電力エネルギ）を使って冷却して、往路５−１へ送り出す。送り出される冷水は周囲温度よりも低温になっている。
【００３１】
外調機１４は、外気をろ過するフィルタ１２と、外気と冷水との間で熱交換を行うための冷水コイル１３と、外気と温水との間で熱交換を行うための温水コイル２２と、ブロワ６０とを備えている。そして、フィルタ１２を通して外気１５を取り込み、冷水コイル１３と温水コイル２２の表面を順次通過させて外気に冷却、加熱、除湿、加湿または空気浄化等の処理を施し、処理後の空気１６をブロワ６０によって被空調室１７へ吹き出すようになっている。なお、冷水は冷水コイル１３の入口（以下「冷水入口」という。）１３ａに供給され、出口１３ｂから出る。別途設置されたボイラ（図示せず）から温水コイル２２に温水が供給されると共に、加湿用蒸気等が供給される。被空調室１７内へ吹き出される処理空気の温度と露点は、それぞれ被空調室１７内に設けられた室内温度センサ１８、室内露点センサ１９によって検出される。矢印２４は排気を示している。
【００３２】
冷凍機１から外調機１４への往路５−１，５Ｂ−１間には冷水を分岐させるための往き冷水ヘッダ２が介挿され、また、外調機１４から冷凍機１への復路５−２，５Ｂ−２間には冷水を合流させるための還り冷水ヘッダ３が介挿されている。
【００３３】
詳しくは、往き冷水ヘッダ２から、上記外調機１４に対応する分岐経路５Ｂ−１，５Ｂ−２に加えて、複数の分岐経路５Ａ−１，５Ａ−２；５Ｃ−１，５Ｃ−２が分岐し、これらの分岐経路を介して冷水が上記還り冷水ヘッダ３に流入するようになっている。この例では、分岐経路５Ａ−１，５Ａ−２は被空調室１７内に設けられた製造装置冷却水系統（熱交換器２３）に対応し、分岐経路５Ｃ−１，５Ｃ−２は事務棟空調機系統に対応している。製造装置冷却水系統では、冷水は、往き冷水ヘッダ２から往路５Ａ−１を通して熱交換器２３に入り、そこで熱交換を行って製造装置から熱を奪い、復路５Ａ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。事務棟空調機系統では、冷水は、往き冷水ヘッダ２から往路５Ｃ−１を通して事務棟空調機に入り、そこで熱交換を行って室内空気から熱を奪い、復路５Ｃ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。なお、それぞれ熱交換が行われる別の分岐経路がさらに設けられていても良い。
【００３４】
往き冷水ヘッダ２から外調機１４への分岐経路５Ｂ−１には、制御弁８が介挿されている。この制御弁８の開度は、被空調室１７内に設けられた室内温度センサ１８および室内露点センサ１９の出力に基づいて、ＣＰＵからなる第２制御器２５によって調節される。この制御弁８の開度の大小に応じて、分岐経路５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水入口１３ａへ流れる冷水の量が変化する。なお、この制御弁８は、制御手段としての第１制御器９によっても開閉される。
【００３５】
還り冷水ヘッダ３から、冷水を外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスさせるためのバイパス路９０が設けられている。このバイパス路９０には、還り冷水ヘッダ３から外調機１４へ冷水を送るためのバイパス用ポンプ６と、逆止弁７とが介挿されている。バイパス用ポンプ６の動作は、屋外に設けられた外気温度センサ１０、外気露点センサ１１、および還り冷水ヘッダ３の内部に設けられた冷水温度センサ２６の出力に基づいて、ＣＰＵからなる第１制御器９によって制御される（詳しくは後述する。）。逆止弁７は、還り冷水ヘッダ３から外調機１４へ向かう流れを許容するが、逆向きの流れを禁止する。
【００３６】
図２は還り冷水ヘッダ３におけるポートの配列を示している。この還り冷水ヘッダ３は、一定量の冷水を収容し得る本体３０と、この本体３０の外面に沿って一方向に配列された複数のポート（それぞれ手動開閉弁を含む。）３１，３２，…，３９を備えている。図２において左からの２番目のポート３２は、バイパス路９０への配管が接続されて、バイパス用ポートとして用いられている。その両隣りに配置された２つのポート３１，３３は、それぞれ熱負荷が高い製造装置冷却水系統からの配管（復路）５Ａ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。その右隣りに配置された２つのポート３４，３５は、それぞれ製造装置冷却水系統に比して熱負荷が低い事務棟空調機系統からの配管（復路）５Ｃ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。その右隣りに配置された２つのポート３６，３７は、それぞれ閉じられて、空きポートとなっている。右からの２番目のポート３８は、外調機１４の冷水コイル１３からの配管（復路）５Ｂ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。右端のポート３９は、冷凍機１への配管（復路）５−２が接続されて、流出用ポートとして用いられている。詳しくは後述するが、流入用ポート３１，３３，３４，３５，３８の配置は、バイパス用ポート３２に対して、各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。
【００３７】
さて、図１中に示した被空調室（以下「クリーンルーム」という。）１７の内部は、既述のように目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要がある。図４の空気線図では、この目標温度２４℃、目標湿度４５％がＡ点で表されている。Ａ点の絶対湿度に対応する飽和曲線上の点がＤ点である。夏期の外気状態（これをＢ点とする。Ｂ点の温度は３３℃である。）からＡ点の状態にするためには、外気から水分をａ（ｋｇ／ｋｇ）だけ除くように外調機１４は除湿運転を行う必要がある。逆に、冬期の外気状態（これをＣ点とする。Ｃ点の温度は５℃である。）からＡ点の状態にするためには、外気に水分をｂ（ｋｇ／ｋｇ）だけ加えるように外調機１４は加湿運転を行う必要がある。また、４月〜５月、１０月〜１１月の中間期には、外調機１４は、図５に示したように、夜間（図５中に斜線で示す）には加湿運転、昼間には除湿運転を行う必要がある。
【００３８】
そこで、この空気調和装置では、夏期や中間期の昼間などのように、外気１５の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度以上であるか又は外気１５の露点がクリーンルーム１７の目標露点以上であるとき、第１制御器９がバイパス路９０を通した冷水のバイパスを禁止する制御を行う。つまり、バイパス用ポンプ９０を停止して、バイパス路９０を実質的に遮断する。このとき、この空気調和装置は、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転を行う。すなわち、冷凍機１から送り出された低温の冷水は、往路５−１，５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水コイル１３に入り、熱交換に用いられる。外調機１４は、外気１５を取り込み、冷水コイル１３の表面を通過させて外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気１６をクリーンルーム１７へ送る。このとき、第２制御器２５が、クリーンルーム１７内に設けられた室内温度センサ１８および室内露点センサ１９の出力に基づいて、制御弁８の開度を調節して、分岐経路５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水入口１３ａへ流れる冷水の量を調節する。これにより、クリーンルーム１７内の温度、露点をそれぞれ目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように制御する。外調機１４の冷水コイル１３で熱交換によって高温になった冷水は、復路５Ｂ−２，５−２を通して冷凍機１に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００３９】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気１５の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度よりも低く且つ外気１５の露点がクリーンルーム１７の目標露点よりも低いとき、第１制御器９がバイパス路９０を通した冷水のバイパスを実行する制御（バイパス運転）を行う。つまり、バイパス用ポンプ９０を起動して運転状態にする。これにより、還り冷水ヘッダ３に流入する高温の冷水（還り冷水）がバイパス路９０を通して外調機１４の冷水コイル１３に入り、熱交換に用いられる。これとともに、第１制御器９は制御弁８を全閉にする。したがって、往路５Ｂ−１が制御弁８によって遮断されて、往き冷水ヘッダ２からの低温の冷水が外調機１４に流入しない。この結果、外調機１４は、冷水コイル１３には、還り冷水ヘッダ３からの高温の還り冷水のみが流入する。外調機１４は、外気１５を取り込み、外気１５と還り冷水ヘッダ３からバイパス路９０を通して流入する高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気１５に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気１６をクリーンルーム１７へ送る。外調機１４の冷水コイル１３で熱交換によって低温になった冷水は、復路５Ｂ−２，５−２を通して冷凍機１に戻る。このように、外気１５を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機１の負荷を低減できる。
【００４０】
上述のように、この空気調和装置は、外気１５の状態に応じて、バイパス運転を実行するか否かを切り替える制御を行う。この第１制御器９による切り替え制御は、自動で頻繁に行うことができる。したがって、この空気調和装置によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機１の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００４１】
しかも、図２に関して述べたように、還り冷水ヘッダ３における流入用ポート３１，３３，３４，３５，３８の配置は、バイパス用ポート３２に対して、各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。つまり、外調機１４の冷水コイル１３へのバイパス用ポート３２に対して、その両隣りに熱負荷が高い製造装置冷却水系統からの流入用ポート３１，３３が配置され、その流入用ポート３３の右隣りに、製造装置冷却水系統に比して熱負荷が低い事務棟空調機系統からの流入用ポート３４，３５が配置されている。そして、右端の冷凍機１への流出用ポート３９を除けば最も遠い位置に、外調機１４の冷水コイル１３からの流入用ポート３８が配置されている。外調機１４の冷水コイル１３から流入用ポート３８を通して流入する冷水の温度は、上述のバイパス運転のおかげで、他の流入用ポート３１，３３，３４，３５を通して流入する冷水の温度よりも低くなっている。このような配置の結果、バイパス用ポート３２に対して近い位置に存在する流入用ポート３１，３３には、高い温度の冷水が流入する。したがって、バイパス運転時に還り冷水ヘッダ３から外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスされるのは、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分となる。この結果、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分が、図１中に示した外調機１４の冷却コイル１３で外気と熱交換して冷却される。そして、外調機１４で熱交換によって低温になった冷水は、復路５Ｂ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。還り冷水ヘッダ３では、外調機１４の冷水コイル１３からの流入用ポート３８は、右端の冷凍機１への流出用ポート３９の隣りに配置されているので、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の低い部分が、復路５−２を通して冷凍機１に戻る。したがって、効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機１の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機１４は、外気１５と、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分との間で熱交換を行う。したがって、外調機１４で外気１５に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）を削減できる。
【００４２】
実際に、或る地方の半導体製造工場で１月度（冬場）の冷却負荷削減量は、次の表１に示すような条件で、５２２２８冷凍トン／月となった（１冷凍トン＝３０２４Ｋｃａｌ／Ｈである。）。これを現状の電力料金に基づいて金額に換算すると、約５３万円（１ヶ月）の節約となった。
【００４３】
【表１】
外調機能力
▲１▼ 処理風量：９５０００ｍ３／Ｈ
▲２▼ コイル能力：４０３０００Ｋｃａｌ／Ｈ
▲３▼ 入口空気温度：２．６℃
▲４▼ 冷水流量：６８０Ｌ／ｍｉｎ
▲５▼ 冷水温度：１５℃
【００４４】
本実施形態では、空気調和装置を半導体製造工場に適用したが、当然ながらこれに限られるものではない。この発明の空気調和装置は、例えば液晶表示装置製造工場などに広く適用できる。この発明は、処理風量の多い大型の外調機を使用する用途に好ましく適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の空気調和装置とその制御方法によれば、冬期だけでなく中間期でも、実際に、外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の空気調和装置の概略構成を示す図である。
【図２】上記空気調和装置の構成要素である還り冷水ヘッダにおけるポートの配列を示す図である。
【図３】従来の空気調和装置の構成を示す図である。
【図４】空気線図の一例である。
【図５】中間期の一日の外気温度の推移を例示する図である。
【符号の説明】
１ 冷凍機
２ 往き冷水ヘッダ
３ 還り冷水ヘッダ
９ 第１制御器
１３ 冷水コイル
１４ 外調機
１７ 被空調室（クリーンルーム）
２５ 第２制御器
【発明の属する技術分野】
この発明は空気調和装置に関し、より詳しくは、外気を処理して被空調室へ送る外調機と、この外調機に対して冷凍機によって冷却された冷水を循環させる閉回路を備えた空気調和装置に関する。
【０００２】
また、この発明はそのような空気調和装置を制御する空気調和装置の制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
例えば半導体製造工場内部は、温度２４℃、湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要があるが、数百℃以上の発熱を伴う製造設備を多く収容している結果、一年中冷却される必要がある。
【０００４】
従来、そのような用途のために空気調和装置としては、図３に示すようなものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この空気調和装置は、外気と冷水との間で熱交換を行うことにより外気を処理して室内へ吹き出す外調機１１４と、冷凍機（図示せず）が送り出した冷水を循環させるための往路配管１０５および復路配管１０４とを備えている。往路配管１０５は、弁１２０ｄが介挿された配管１８５を介して冷水コイル１１３の一方の端部１１３ｂへ接続されている。一方、復路配管１０４とは、弁１２０ａが介挿された配管１８４を介して冷水コイル１１３の他方の端部１１３ａへ接続されている。冷水コイル１１３の端部１１３ａは冷水循環ポンプ１０６と弁１２０ｂとが介挿された配管１９４を介して冷水還り配管２００（逆止弁１０７よりも上流側の部分）へ接続されている。一方、冷水コイル１１３の端部１１３ｂは、弁１２０ｃが介挿された配管１９５を介して冷水還り配管２００（逆止弁１０７よりも下流側の部分）へ接続されている。
【０００５】
外気の温度および湿度が高くなる夏期には、手動で弁１２０ｄ，１２０ａを開とし、かつ弁１２０ｃ，１２０ｂを閉とする。これにより、冷凍機から出て、往路配管１０５、配管１８５、冷水コイル１１３、配管１８４、復路配管１０４を介して上記冷凍機に戻る閉回路を形成して、この閉回路に冷水を循環させる。外調機１１４は、フィルタ１１２を通して外気１１５を取り込み、冷水コイル１１３表面を通過させて外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気１１６をブロワ１５０によって被空調室（図示せず）へ吹き出す（これを「除湿運転」と呼ぶ。）。
【０００６】
逆に、外気の温度および湿度が低くなる冬期には、手動で弁１２０ｃ，１２０ｂを開とし、かつ弁１２０ｄ，１２０ａを閉とする。これとともに、冷水循環ポンプ１０６を運転する。これにより、高温の還り冷水を冷水循環ポンプ１０６から配管１９４を通して冷水コイル１１３に送り、冷水コイル１１３で外気と熱交換させる。外調機１１４は、フィルタ１１２を通して外気１１５を取り込み、冷水コイル１１３表面を通過させて外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気１１６をブロワ１５０によって被空調室（図示せず）へ吹き出す（これを「加湿運転」と呼ぶ。）。冷水コイル１１３で冷やされて低温となった冷水は、配管１９５を通して冷水還り配管２００へ戻される。このように、外気を利用して還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収している。これにより、冷凍機の負荷を低減し、電力エネルギの削減を図っている。
【０００７】
【非特許文献１】
「半導体産業における省エネルギー対策事例集」第２版，社団法人電子機械工業会，平成１２年５月，ｐ．１０８
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、日本国では、４月〜５月、１０月〜１１月など、図５に示すように夜間（１９時〜翌１２時）には外気温度が１２℃以下に下がって加湿運転となるが、昼間（１２時〜１９時）には外気温度が上昇して除湿運転となる時期（これを「中間期」と呼ぶ。）がある。
【０００９】
しかしながら、上記従来の空気調和装置では、弁１２０ｃ，１２０ｂ，１２０ｄ，１２０ａの開閉と循環ポンプ１０６の運転の切り替え操作を手動で行うようになっているため、切り替え操作に手間がかかる。このため、現実問題として、毎日のように頻繁に切り替え操作を行うことはできない。この結果、中間期には、夜間には外気を利用して冷熱を回収する余地があるにもかかわらず、実際には電力エネルギを削減することができない。外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できるのは、実際には冬期のみとなる。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、冬期だけでなく中間期でも、実際に、外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できる空気調和装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明の空気調和装置は、
受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路と、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する切り替え制御を行う制御手段とを備える。
【００１２】
この発明の空気調和装置では、夏期や中間期の昼間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が被空調室の目標露点以上であるとき、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する制御を行う。このとき、この空気調和装置は、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転を行う。すなわち、冷凍機から送り出された低温の冷水は、往路を通して外調機に入り、熱交換に用いられる。外調機は、外気を取り込み、外気と低温の冷水との間で熱交換を行って外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって高温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００１３】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室の目標露点よりも低いとき、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する制御を行う。これにより、還り冷水ヘッダに流入する高温の冷水（還り冷水）が上記バイパス路を通して上記外調機に入り、この熱交換器で外気と熱交換する。外調機は、外気を取り込み、外気と高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。このように、外気を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機の負荷を低減できる。
【００１４】
上述のように、この発明の空気調和装置は、外気の状態に応じて、制御手段が上記バイパス路を通した冷水のバイパス（これを「バイパス運転」と呼ぶ。）を実行するか否かを切り替える制御を行う。この制御手段による切り替え制御は、自動で頻繁に行うことができる。したがって、この発明の空気調和装置によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００１５】
なお、外気の状態がバイパス運転のための条件を満たしているか否かを制御手段が容易に判断できるように、外気の温度および露点を検出するセンサと、上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度を検出するセンサとを備えるのが望ましい。
【００１６】
一実施形態の空気調和装置は、上記制御手段によって制御されるポンプが上記バイパス路に介挿されていることを特徴とする。
【００１７】
この一実施形態の空気調和装置では、上記制御手段によって制御されるポンプが上記バイパス路に介挿されている。したがって、バイパス運転時にこのポンプを稼動させることによって、還り冷水ヘッダから冷水を上記外調機の冷水入口へ円滑にバイパスさせることができる。
【００１８】
一実施形態の空気調和装置は、
上記冷凍機から外調機への往路に介挿された往き冷水ヘッダから、それぞれ熱交換が行われる複数の分岐経路が分岐し、これらの分岐経路を介して冷水が上記還り冷水ヘッダに流入するようになっており、
上記還り冷水ヘッダの本体の外面に、上記バイパス路へのバイパス用ポートと、上記複数の分岐経路からの各々の流入用ポートとが配列され、
上記バイパス用ポートに対して、それらの流入用ポートは各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられていることを特徴とする。
【００１９】
この一実施形態の空気調和装置では、上記還り冷水ヘッダの本体の外面に、上記バイパス路へのバイパス用ポートと、上記複数の分岐経路からの各々の流入用ポートとが配列されている。そして、上記バイパス用ポートに対して、それらの流入用ポートは各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。つまり、上記バイパス用ポートに対して近い位置に存在する流入用ポートには、高い温度の冷水が流入する。したがって、バイパス運転時に還り冷水ヘッダから外調機の冷水入口へバイパスされるのは、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分となる。この結果、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分が、外調機によって冷却される。そして、外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。したがって、効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機は、外気と、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分との間で熱交換を行う。したがって、外調機で外気に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）を削減できる。
【００２０】
一実施形態の空気調和装置は、上記往き冷水ヘッダから外調機への往路に介挿された制御弁を備え、上記制御手段は、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行するとき、上記制御弁を全閉にすることを特徴とする。
【００２１】
この一実施形態の空気調和装置では、上記制御手段は、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行するとき、上記往き冷水ヘッダから外調機への往路に介挿された制御弁を全閉にする。したがって、バイパス運転時に、往き冷水ヘッダから外調機への往路が上記制御弁によって遮断され、往き冷水ヘッダからの低温の冷水が外調機に流入しない。この結果、外調機によって冷却されるのは、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分のみとなる。そして、外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。したがって、さらに効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機は、外気と、還り冷水ヘッダに流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分のみとの間で熱交換を行う。したがって、外調機で外気に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）をさらに削減できる。
【００２２】
また、この発明の空気調和装置の制御方法は、
受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路とを備えた空気調和装置を制御手段によって制御する制御方法であって、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止することを特徴とする空気調和装置の制御方法。
【００２３】
この発明の空気調和装置の制御方法では、夏期や中間期の昼間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が被空調室の目標露点以上であるとき、制御手段によって、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する。このとき、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転が行われる。すなわち、冷凍機から送り出された低温の冷水は、往路を通して外調機に入り、熱交換に用いられる。外調機は、外気を取り込み、外気と低温の冷水との間で熱交換を行って外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって高温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００２４】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気の温度が還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ外気の露点が被空調室の目標露点よりも低いとき、制御手段によって、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する。これにより、還り冷水ヘッダに流入する高温の冷水（還り冷水）が上記バイパス路を通して上記外調機に入り、この熱交換器で外気と熱交換する。外調機は、外気を取り込み、外気と高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気を被空調室へ送る。外調機で熱交換によって低温になった冷水は、復路を通して上記冷凍機に戻る。このように、外気を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機の負荷を低減できる。
【００２５】
上述のように、この発明の空気調和装置の制御方法では、外気の状態に応じて、上記バイパス路を通した冷水のバイパス（これを「バイパス運転」と呼ぶ。）を実行するか否かを切り替える。この切り替えは、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）のような制御手段によって自動で頻繁に行うことができる。したがって、この発明の空気調和装置の制御方法によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態の空気調和装置の概略構成を示している。
【００２８】
この空気調和装置は、冷凍機１と、外調機１４と、上記冷凍機１と外調機１４との間で冷水を循環させるための往路５−１，５Ｂ−１および復路５Ｂ−２，５−２とを備えている。なお、付け加えられた符号「−１」は熱交換に用いられる前の冷水が通る往路であることを意味し、付け加えられた符号「−２」は熱交換に用いられた後の冷水が通る復路であることを意味する（以下同様。）。
【００２９】
この空気調和装置によって空調されるべき被空調室１７は、この例では半導体製造工場のクリーンルームであり、その内部は目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要がある。被空調室１７内には、高温を発生する半導体製造装置と、それを冷却するための熱交換器２３が設けられている。
【００３０】
冷凍機１は、復路５−２から受け取った冷水を、断熱圧縮・断熱膨張のための機械仕事（電力エネルギ）を使って冷却して、往路５−１へ送り出す。送り出される冷水は周囲温度よりも低温になっている。
【００３１】
外調機１４は、外気をろ過するフィルタ１２と、外気と冷水との間で熱交換を行うための冷水コイル１３と、外気と温水との間で熱交換を行うための温水コイル２２と、ブロワ６０とを備えている。そして、フィルタ１２を通して外気１５を取り込み、冷水コイル１３と温水コイル２２の表面を順次通過させて外気に冷却、加熱、除湿、加湿または空気浄化等の処理を施し、処理後の空気１６をブロワ６０によって被空調室１７へ吹き出すようになっている。なお、冷水は冷水コイル１３の入口（以下「冷水入口」という。）１３ａに供給され、出口１３ｂから出る。別途設置されたボイラ（図示せず）から温水コイル２２に温水が供給されると共に、加湿用蒸気等が供給される。被空調室１７内へ吹き出される処理空気の温度と露点は、それぞれ被空調室１７内に設けられた室内温度センサ１８、室内露点センサ１９によって検出される。矢印２４は排気を示している。
【００３２】
冷凍機１から外調機１４への往路５−１，５Ｂ−１間には冷水を分岐させるための往き冷水ヘッダ２が介挿され、また、外調機１４から冷凍機１への復路５−２，５Ｂ−２間には冷水を合流させるための還り冷水ヘッダ３が介挿されている。
【００３３】
詳しくは、往き冷水ヘッダ２から、上記外調機１４に対応する分岐経路５Ｂ−１，５Ｂ−２に加えて、複数の分岐経路５Ａ−１，５Ａ−２；５Ｃ−１，５Ｃ−２が分岐し、これらの分岐経路を介して冷水が上記還り冷水ヘッダ３に流入するようになっている。この例では、分岐経路５Ａ−１，５Ａ−２は被空調室１７内に設けられた製造装置冷却水系統（熱交換器２３）に対応し、分岐経路５Ｃ−１，５Ｃ−２は事務棟空調機系統に対応している。製造装置冷却水系統では、冷水は、往き冷水ヘッダ２から往路５Ａ−１を通して熱交換器２３に入り、そこで熱交換を行って製造装置から熱を奪い、復路５Ａ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。事務棟空調機系統では、冷水は、往き冷水ヘッダ２から往路５Ｃ−１を通して事務棟空調機に入り、そこで熱交換を行って室内空気から熱を奪い、復路５Ｃ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。なお、それぞれ熱交換が行われる別の分岐経路がさらに設けられていても良い。
【００３４】
往き冷水ヘッダ２から外調機１４への分岐経路５Ｂ−１には、制御弁８が介挿されている。この制御弁８の開度は、被空調室１７内に設けられた室内温度センサ１８および室内露点センサ１９の出力に基づいて、ＣＰＵからなる第２制御器２５によって調節される。この制御弁８の開度の大小に応じて、分岐経路５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水入口１３ａへ流れる冷水の量が変化する。なお、この制御弁８は、制御手段としての第１制御器９によっても開閉される。
【００３５】
還り冷水ヘッダ３から、冷水を外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスさせるためのバイパス路９０が設けられている。このバイパス路９０には、還り冷水ヘッダ３から外調機１４へ冷水を送るためのバイパス用ポンプ６と、逆止弁７とが介挿されている。バイパス用ポンプ６の動作は、屋外に設けられた外気温度センサ１０、外気露点センサ１１、および還り冷水ヘッダ３の内部に設けられた冷水温度センサ２６の出力に基づいて、ＣＰＵからなる第１制御器９によって制御される（詳しくは後述する。）。逆止弁７は、還り冷水ヘッダ３から外調機１４へ向かう流れを許容するが、逆向きの流れを禁止する。
【００３６】
図２は還り冷水ヘッダ３におけるポートの配列を示している。この還り冷水ヘッダ３は、一定量の冷水を収容し得る本体３０と、この本体３０の外面に沿って一方向に配列された複数のポート（それぞれ手動開閉弁を含む。）３１，３２，…，３９を備えている。図２において左からの２番目のポート３２は、バイパス路９０への配管が接続されて、バイパス用ポートとして用いられている。その両隣りに配置された２つのポート３１，３３は、それぞれ熱負荷が高い製造装置冷却水系統からの配管（復路）５Ａ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。その右隣りに配置された２つのポート３４，３５は、それぞれ製造装置冷却水系統に比して熱負荷が低い事務棟空調機系統からの配管（復路）５Ｃ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。その右隣りに配置された２つのポート３６，３７は、それぞれ閉じられて、空きポートとなっている。右からの２番目のポート３８は、外調機１４の冷水コイル１３からの配管（復路）５Ｂ−２が接続されて、流入用ポートとして用いられている。右端のポート３９は、冷凍機１への配管（復路）５−２が接続されて、流出用ポートとして用いられている。詳しくは後述するが、流入用ポート３１，３３，３４，３５，３８の配置は、バイパス用ポート３２に対して、各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。
【００３７】
さて、図１中に示した被空調室（以下「クリーンルーム」という。）１７の内部は、既述のように目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように常に（一年中）空調される必要がある。図４の空気線図では、この目標温度２４℃、目標湿度４５％がＡ点で表されている。Ａ点の絶対湿度に対応する飽和曲線上の点がＤ点である。夏期の外気状態（これをＢ点とする。Ｂ点の温度は３３℃である。）からＡ点の状態にするためには、外気から水分をａ（ｋｇ／ｋｇ）だけ除くように外調機１４は除湿運転を行う必要がある。逆に、冬期の外気状態（これをＣ点とする。Ｃ点の温度は５℃である。）からＡ点の状態にするためには、外気に水分をｂ（ｋｇ／ｋｇ）だけ加えるように外調機１４は加湿運転を行う必要がある。また、４月〜５月、１０月〜１１月の中間期には、外調機１４は、図５に示したように、夜間（図５中に斜線で示す）には加湿運転、昼間には除湿運転を行う必要がある。
【００３８】
そこで、この空気調和装置では、夏期や中間期の昼間などのように、外気１５の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度以上であるか又は外気１５の露点がクリーンルーム１７の目標露点以上であるとき、第１制御器９がバイパス路９０を通した冷水のバイパスを禁止する制御を行う。つまり、バイパス用ポンプ９０を停止して、バイパス路９０を実質的に遮断する。このとき、この空気調和装置は、従来の空気調和装置の除湿運転と同様の運転を行う。すなわち、冷凍機１から送り出された低温の冷水は、往路５−１，５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水コイル１３に入り、熱交換に用いられる。外調機１４は、外気１５を取り込み、冷水コイル１３の表面を通過させて外気に冷却、除湿等の処理を施し、処理後の空気１６をクリーンルーム１７へ送る。このとき、第２制御器２５が、クリーンルーム１７内に設けられた室内温度センサ１８および室内露点センサ１９の出力に基づいて、制御弁８の開度を調節して、分岐経路５Ｂ−１を通して外調機１４の冷水入口１３ａへ流れる冷水の量を調節する。これにより、クリーンルーム１７内の温度、露点をそれぞれ目標温度２４℃、目標湿度４５％になるように制御する。外調機１４の冷水コイル１３で熱交換によって高温になった冷水は、復路５Ｂ−２，５−２を通して冷凍機１に戻り、冷却されて再び低温の冷水となる。
【００３９】
一方、冬期や中間期の夜間などのように、外気１５の温度が還り冷水ヘッダ３に流入する冷水の温度よりも低く且つ外気１５の露点がクリーンルーム１７の目標露点よりも低いとき、第１制御器９がバイパス路９０を通した冷水のバイパスを実行する制御（バイパス運転）を行う。つまり、バイパス用ポンプ９０を起動して運転状態にする。これにより、還り冷水ヘッダ３に流入する高温の冷水（還り冷水）がバイパス路９０を通して外調機１４の冷水コイル１３に入り、熱交換に用いられる。これとともに、第１制御器９は制御弁８を全閉にする。したがって、往路５Ｂ−１が制御弁８によって遮断されて、往き冷水ヘッダ２からの低温の冷水が外調機１４に流入しない。この結果、外調機１４は、冷水コイル１３には、還り冷水ヘッダ３からの高温の還り冷水のみが流入する。外調機１４は、外気１５を取り込み、外気１５と還り冷水ヘッダ３からバイパス路９０を通して流入する高温の還り冷水との間で熱交換を行って外気１５に加熱、加湿等の処理を施し、処理後の空気１６をクリーンルーム１７へ送る。外調機１４の冷水コイル１３で熱交換によって低温になった冷水は、復路５Ｂ−２，５−２を通して冷凍機１に戻る。このように、外気１５を利用して高温の還り冷水の温度を下げることで冷熱を回収することができ、冷凍機１の負荷を低減できる。
【００４０】
上述のように、この空気調和装置は、外気１５の状態に応じて、バイパス運転を実行するか否かを切り替える制御を行う。この第１制御器９による切り替え制御は、自動で頻繁に行うことができる。したがって、この空気調和装置によれば、冬期だけでなく、昼間には外気温度が上昇して除湿運転となる中間期でも、実際に冷凍機１の負荷を低減でき、電力エネルギを削減できる。
【００４１】
しかも、図２に関して述べたように、還り冷水ヘッダ３における流入用ポート３１，３３，３４，３５，３８の配置は、バイパス用ポート３２に対して、各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられている。つまり、外調機１４の冷水コイル１３へのバイパス用ポート３２に対して、その両隣りに熱負荷が高い製造装置冷却水系統からの流入用ポート３１，３３が配置され、その流入用ポート３３の右隣りに、製造装置冷却水系統に比して熱負荷が低い事務棟空調機系統からの流入用ポート３４，３５が配置されている。そして、右端の冷凍機１への流出用ポート３９を除けば最も遠い位置に、外調機１４の冷水コイル１３からの流入用ポート３８が配置されている。外調機１４の冷水コイル１３から流入用ポート３８を通して流入する冷水の温度は、上述のバイパス運転のおかげで、他の流入用ポート３１，３３，３４，３５を通して流入する冷水の温度よりも低くなっている。このような配置の結果、バイパス用ポート３２に対して近い位置に存在する流入用ポート３１，３３には、高い温度の冷水が流入する。したがって、バイパス運転時に還り冷水ヘッダ３から外調機１４の冷水入口１３ａへバイパスされるのは、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分となる。この結果、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分が、図１中に示した外調機１４の冷却コイル１３で外気と熱交換して冷却される。そして、外調機１４で熱交換によって低温になった冷水は、復路５Ｂ−２を通して還り冷水ヘッダ３に戻る。還り冷水ヘッダ３では、外調機１４の冷水コイル１３からの流入用ポート３８は、右端の冷凍機１への流出用ポート３９の隣りに配置されているので、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の低い部分が、復路５−２を通して冷凍機１に戻る。したがって、効果的に冷熱を回収することができる。これにより、冷凍機１の負荷をさらに低減でき、電力エネルギをさらに削減できる。一方、このバイパス運転時に、外調機１４は、外気１５と、還り冷水ヘッダ３に流入する冷水全体のうち実質的に最も温度の高い部分との間で熱交換を行う。したがって、外調機１４で外気１５に加熱、加湿等の処理を施すための外部仕事（エネルギ）を削減できる。
【００４２】
実際に、或る地方の半導体製造工場で１月度（冬場）の冷却負荷削減量は、次の表１に示すような条件で、５２２２８冷凍トン／月となった（１冷凍トン＝３０２４Ｋｃａｌ／Ｈである。）。これを現状の電力料金に基づいて金額に換算すると、約５３万円（１ヶ月）の節約となった。
【００４３】
【表１】
外調機能力
▲１▼ 処理風量：９５０００ｍ３／Ｈ
▲２▼ コイル能力：４０３０００Ｋｃａｌ／Ｈ
▲３▼ 入口空気温度：２．６℃
▲４▼ 冷水流量：６８０Ｌ／ｍｉｎ
▲５▼ 冷水温度：１５℃
【００４４】
本実施形態では、空気調和装置を半導体製造工場に適用したが、当然ながらこれに限られるものではない。この発明の空気調和装置は、例えば液晶表示装置製造工場などに広く適用できる。この発明は、処理風量の多い大型の外調機を使用する用途に好ましく適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の空気調和装置とその制御方法によれば、冬期だけでなく中間期でも、実際に、外気を利用して冷熱を回収することによって電力エネルギを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の空気調和装置の概略構成を示す図である。
【図２】上記空気調和装置の構成要素である還り冷水ヘッダにおけるポートの配列を示す図である。
【図３】従来の空気調和装置の構成を示す図である。
【図４】空気線図の一例である。
【図５】中間期の一日の外気温度の推移を例示する図である。
【符号の説明】
１ 冷凍機
２ 往き冷水ヘッダ
３ 還り冷水ヘッダ
９ 第１制御器
１３ 冷水コイル
１４ 外調機
１７ 被空調室（クリーンルーム）
２５ 第２制御器
Claims (5)
- 受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路と、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止する切り替え制御を行う制御手段とを備えた空気調和装置。 - 請求項１に記載の空気調和装置において、
上記制御手段によって制御されるポンプが上記バイパス路に介挿されていることを特徴とする空気調和装置。 - 請求項１に記載の空気調和装置において、
上記冷凍機から外調機への往路に介挿された往き冷水ヘッダから、それぞれ熱交換が行われる複数の分岐経路が分岐し、これらの分岐経路を介して冷水が上記還り冷水ヘッダに流入するようになっており、
上記還り冷水ヘッダの本体の外面に、上記バイパス路へのバイパス用ポートと、上記複数の分岐経路からの各々の流入用ポートとが配列され、
上記バイパス用ポートに対して、それらの流入用ポートは各流入用ポートに流入する冷水の温度が高い順に並べられていることを特徴とする空気調和装置。 - 請求項３に記載の空気調和装置において、
上記往き冷水ヘッダから外調機への往路に介挿された制御弁を備え、
上記制御手段は、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行するとき、上記制御弁を全閉にすることを特徴とする空気調和装置。 - 受け取った冷水を冷却して送り出す冷凍機と、
外気と冷水との間で熱交換を行うことより外気を処理して被空調室へ送る外調機と、
上記冷凍機と外調機との間で冷水を循環させるための往路および復路と、
上記外調機から冷凍機への復路に介挿された還り冷水ヘッダから、冷水を上記外調機の冷水入口へバイパスさせるためのバイパス路とを備えた空気調和装置を制御手段によって制御する制御方法であって、
上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度よりも低く且つ上記外気の露点が上記被空調室の目標露点よりも低いとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを実行する一方、上記外気の温度が上記還り冷水ヘッダに流入する冷水の温度以上であるか又は上記外気の露点が上記被空調室の目標露点以上であるとき、上記バイパス路を通した冷水のバイパスを禁止することを特徴とする空気調和装置の制御方法。
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