JP2005156077A

JP2005156077A - 空気調和機

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Publication number: JP2005156077A
Application number: JP2003398080A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ebine; 猛海老根
Original assignee: Techno Ryowa Ltd
Current assignee: Techno Ryowa Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP4426263B2

Abstract

【課題】熱効率の上昇と液ガス比の減少、必要冷水及び温水温度の緩和を図り、省スペースかつ省エネルギー化を実現することができる空気調和機を提供する。
【解決手段】空気取入口と空気供給口との間の空気流路に充填材が配設され、この充填材に冷水又は温水などの熱媒を滴下して、この熱媒に処理対象となる空気を直接接触させることによって該空気の除湿、冷却、加熱または加湿を行う空気調和機において、充填材を空気流路に沿って複数段設け、これら複数の充填材のうち、空気流路に対して最も下流に設けられた充填材から上流側に設けられた充填材に向かって熱媒が順次循環供給されるように構成することにより、空気の流れと熱媒の流れとが対向流となるようにする。
【選択図】図１

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機に係り、特に、熱効率の上昇と液ガス比の減少、必要冷水及び温水温度の緩和を図ると共に、省スペースかつ省エネルギー化を実現すべく改良を施した空気調和機に関する。

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機が設置されている。

このような空気調和機に用いられる熱交換方式としては、コイルフィン方式、ワッシャー方式あるいは充填材方式等が知られている。このうち、コイルフィン方式においては、コイルフィン内に熱媒を通して用いるため、冷却する空気に対して、大量の冷却水が必要であるなど、液ガス比が大きいという問題点があった。

一方、ワッシャー方式と充填材方式は、熱媒（冷水や温水）と空気を直接接触させる方式であるため、上記コイルフィン方式に比べて熱効率が良く、加湿方式として省エネルギーシステムを構築しやすい。また、液ガス比がコイルフィン方式に比べて小さく、副次効果として処理対象となる空気の臭気（ガス成分）を吸収除去できるという利点がある（特許文献１等）。
特開２０００−３１７２４８号公報特開２００３−２０２１７４号公報

一般に、熱交換効率を向上させるためには、空気と熱媒を対向流とすることが望ましく、上記コイルフィン方式ではすでに採用されている。しかしながら、上記のワッシャー方式では、空気と熱媒は直行流であり、より熱交換効率の高い対向流方式を採用しようとすると、容器内部に、熱媒を噴霧するノズルとノズルから噴霧された水滴を捕集するエリミネーターを複数段設けなければならず、このため装置全体の寸法が長くなり、スペース、コスト面において問題があった。

また、上記特許文献１に示された発明は、ガス除去を目的とするものであって、冷却や加熱は、別途設けられた冷却コイルや加熱コイルなどにより行うものであった。さらに、上記特許文献２に示された発明は、空気と熱媒（冷却水）は直行流であり、その熱交換効率は１段式のエアワッシャと同等であり、より高効率の液ガス比の小さい空気調和機が望まれていた。

本発明は、このような従来技術の持つ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、熱媒の流れと空気の流れを対向流として、熱効率の上昇と液ガス比の減少、必要冷水及び温水温度の緩和を図り、省スペースかつ省エネルギー化を実現することができる空気調和機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の空気調和機は、空気取入口と空気供給口との間の空気流路に充填材が配設され、この充填材に冷水又は温水などの熱媒を滴下して、この熱媒に処理対象となる空気を直接接触させることによって該空気の除湿、冷却、加熱または加湿を行う空気調和機において、前記充填材が、前記空気流路に沿って複数段設けられ、前記複数の充填材のうち、空気流路に対して最も下流に設けられた充填材から上流側に設けられた充填材に前記熱媒が順次循環供給され、前記空気の流れと前記熱媒の流れとが対向流とされていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の空気調和機は、空気取入口と空気供給口との間の空気流路に充填材が配設され、この充填材に冷水又は温水などの熱媒を滴下して、この熱媒に処理対象となる空気を直接接触させることによって該空気の除湿、冷却、加熱または加湿を行う空気調和機において、前記充填材が、前記空気流路に沿って複数段設けられ、前記各充填材の上部には、この充填材に熱媒を滴下するノズルが設けられ、前記各充填材の下部には、この充填材から排出される熱媒を受ける水槽が設けられ、前記複数の充填材のうち最も下流に設けられた充填材には、熱媒を供給する熱媒供給部が接続され、前記各充填材間下部の前記水槽には、この水槽に溜まった熱媒を上流側の充填材上部のノズルに対して送る配管が接続され、この配管には、前記熱媒をポンプアップするポンプが設けられていることを特徴とするものである。

以上のような構成からなる請求項１又は請求項２に記載の発明では、熱媒の流れを空気の流れに対して対向流とすることにより、熱交換効率が良くなり、液ガス比を小さくでき、必要冷水、温水の温度が緩和される。例えば、冷水温度を高くできるため、冷凍機ＣＯＰが上がる。また、温水としては、冷却塔排熱等のより低温のエネルギーが使用可能となる。さらに、熱媒側温度差が大きくとれるため、搬送動力が下がり、初期設備容量も下がる、空気圧損が下がるといった効果が得られる。

本発明の空気調和機によれば、熱媒の流れと空気の流れを対向流として、熱効率の上昇と液ガス比の減少、必要冷水及び温水温度の緩和により、省スペースかつ省エネルギー化を実現することができる空気調和機を提供することができる。

以下、本発明の空気調和機に係る実施の形態（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）構成
図１は、本発明に係る空気調和機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機のチャンバ２０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、第１〜第３の充填材３ａ〜３ｃ、再熱コイル４及び送風機５が順次設けられている。また、第１〜第３の充填材３ａ〜３ｃの下部には、それぞれ第１〜第３の水槽６ａ〜６ｃが配設されている。

また、前記第１〜第３の充填材３ａ〜３ｃは共に、十分な気液接触面積を有する冷却塔に用いられる樹脂性素材、又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、第１〜第３の充填材３ａ〜３ｃ間で、順次、熱媒である液体（純水）が循環供給されるように構成されている。すなわち、最下流に配設された第３の充填材３ｃには、給水管７及びノズル８を介して、上方から熱媒が滴下され、その表面に液膜が形成されるように構成されている。

また、この第３の充填材３ｃに滴下された熱媒のうち、第３の水槽６ｃに回収された熱媒は、第１のポンプ９によって隣接する第２の充填材３ｂの上部に供給され、同様に、第２の水槽６ｂに回収された熱媒は、第２のポンプ１０によって上流側の第１の充填材３ａの上部に供給されるように構成されている。

そして、第１の充填材３ａを流下し、第１の水槽６ａに蓄えられた熱媒は、第３のポンプ１２を介して熱交換器３０に送られ、この熱交換器３０により所定の温度に調整され、再度、給水管７を介して、第３の充填材３ｃの上部に供給されるように構成されている。すなわち、第３の充填材３ｃに供給される熱媒は、該空気調和機が冷却及び除湿操作を行う場合には、熱交換器３０により所定の温度に冷却され、該空気調和機が暖房及び加湿操作を行う場合には、所定の温度に加温されるように構成されている。

さらに、これらの充填材の空気下流側には、空気を所定温度に加温するための再熱コイルが設置されている。
なお、第１の充填材３ａの下部に配設された第１の水槽６ａには、排水管１１が設けられている。

さらに、第３の水槽６ｃには、補給水として微量の純水（Ｌ／Ｇ＝０．０１〜０．０２程度）が供給されるように構成され、これにより空気中のガス（アンモニア等）を連続的に吸収除去することが可能となっている。

このように、本実施形態の充填材３ａ〜３ｃは、上記給水管７より供給された温水あるいは冷水等の熱媒を、下流側の充填材３ｃから上流側の充填材３ａに向かって循環供給すると共に、上流側の充填材３ａの側方より処理対象となる空気を通過させることにより、熱媒の流れと空気の流れとが対向流となるように構成されている。なお、本実施形態では、充填材３を３層で形成したが、２層であっても、あるいは４層以上の場合であっても、下流の充填材から上流の充填材に至るまで、上記と同様に構成することができる。

なお、上記充填材としては、冷却塔に用いられる樹脂製の熱交換材料、ウェットマスター（株）製の気化式加湿素材、ムンタース（株）製の気化式加湿素材、特許文献２に示された斜行ハニカム、ニチアス（株）製の気化式加湿素材等を用いることができる。

（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機は、以下のように作用する。すなわち、空気取入口からチャンバ２０内部に導入された処理対象となる空気は、プレフィルタ１、中性能フィルタ２を通過することによって塵埃等が除去された後、第１の充填材３ａ〜第３の充填材３ｃに順次供給される。

一方、３層から構成される充填材３には、熱媒が、空気流路の最も下流に位置する第３の充填材３ｃ側に設けられた給水管７からノズル８を介して滴下され、さらに第３の充填材３ｃを通過し、第３の水槽６ｃに貯留され、第１のポンプ９によって、第２の充填材３ｂに送られ、さらに、第１の充填材３ａに供給される。そして、第１の充填材３ａを通過した熱媒は、第１の水槽６ａから第３のポンプ１２を介して、熱交換器３０へ送られる。

このような充填材３ａ〜３ｃに対して、プレフィルタ１及び中性能フィルタ２を通過した空気は、第１の充填材３ａに送られ、この充填材内部に滴下された温水あるいは冷水の熱媒と直接接触し、冷却、除湿又は加温、加湿される。

ここで、充填材３に供給される熱媒が温水である場合には、熱媒の温度は、熱媒の流れからみて最も上流側の第３の充填材３ｃにおいて最も高温となり、最も下流側の第１の充填材３ａにおいて最も低温となる。反対に、熱媒が冷水である場合には、熱媒の温度は、第３の充填材３ｃにおいて最も低温となり、第１の充填材３ａにおいて最も高温となる。このように、処理対象となる空気は、３層の充填材３を通過するごとに冷却、除湿あるいは加熱、加湿されることとなる。この部分の対象空気は、所定の絶対湿度及び所定の乾球温度以下に制御され、この後、再熱コイル４によって所定の乾球温度に再度加熱され、送風機６によって、室内に送られる。

（３）効果
このように、本実施形態においては、処理対象となる空気は、フィルタ１，２により塵埃等が除去された後、第１の充填材３ａと接触し、ここである程度の冷却あるいは加熱処理がなされる。続いて、第２、第３の充填材に供給されるに従って、冷却処理の場合には、順次より低温の熱媒と接触することができるように構成され、一方、加熱処理の場合には、順次より高温の熱媒と接触することができるように構成されているので、熱効率を大幅に向上させることができる。

また、充填材を１つとした場合に比べて、液ガス比が小さくなり、必要冷水、温水温度が緩和される。たとえば、冷水温度を高くできるため、冷凍機ＣＯＰが上がるという利点もある。また、温水としては、冷却塔排熱等のより低温のエネルギーが使用可能となる。さらに、熱媒側温度差が大きくとれるため、搬送動力が下がり、初期設備容量も下がる、空気圧損が下がる、空気下流の液温が低いため、ガス成分除去能力がアップするといった効果も得られる。

（４）具体例
本発明に係る空気調和機を採用することにより得られる効果を、従来の充填材方式の空気調和機を用いた場合と比較して具体的に説明する（図２参照）。なお、本例は、理解を容易にするため、従来の充填材方式と同量の充填材を２層式とし、夏季の冷房運転時において、熱媒として用いる冷却水の温度を１７℃に調整し、湿球温度２７℃、乾球温度３３℃、相対湿度６３％の処理空気が、プレフィルタ１、中性能フィルタ２を介してチャンバ内に取り入れられ、熱媒の循環量をＬ／Ｇ（熱媒重量／処理空気重量）＝１．２とした場合についてのものである。

まず、図２（Ａ）に示したような従来の充填材方式の空気調和機を用いた場合、１段構成の充填材に、湿球温度２７℃、乾球温度３３℃、相対湿度６３％、エンタルピー２０．３ｋｃａｌ／ｋｇの処理空気が導入され、その充填材の上方から１７℃の熱媒が滴下されると、充填材の出口側からは、湿球温度２０．９℃、乾球温度２１．５℃、相対湿度９５％、エンタルピー１４．５ｋｃａｌ／ｋｇの空気が排出される。また、１段構成の充填材から排出される熱媒の温度は２１．８３℃となる。

従って、従来の充填材方式の空気調和機を用いた場合の空気側のΔｉは、２０．３−１４．５＝５．８３ｋｃａｌ／ｋｇとなり、水側のΔｔは、２１．８３−１７＝４．８３℃となる。

一方、図２（Ｂ）に示したような充填材を２段構成とした本発明に係る空気調和機においては、空気側のΔｉ及び水側のΔｔは以下のようになる。すなわち、第１の充填材に湿球温度２７℃、乾球温度３３℃、相対湿度６３％、エンタルピー２０．３ｋｃａｌ／ｋｇの処理空気が導入され、第２の充填材の上方から１７℃の熱媒が滴下され、さらに、第２の充填材から第１の充填材にその熱媒が供給されると、第２の充填材の出口側からは、湿球温度１９．４℃、乾球温度２０．０℃、相対湿度９５％、エンタルピー１３．３ｋｃａｌ／ｋｇの空気が排出される。また、第１の充填材から排出される熱媒の温度は２２．８３℃となる。

従って、本発明に係る空気調和機を用いた場合の空気側のΔｉは、２０．３−１３．３＝７．０ｋｃａｌ／ｋｇとなり、水側のΔｔは、２２．８３−１７＝５．８３℃となる。

その結果、従来の充填材方式の空気調和機を用いた場合と本発明に係る空気調和機を用いた場合とを比較すると、空気側のΔｉの熱交換効率は、（７．０−５．８）／５．８＝０．２１と２１％向上し、水側のΔｔの熱交換効率は、（５．８３−４．８３）／４．８３＝０．２１と２１％向上させることができる。
従って、入口側及び出口側の空気条件を同一とすれば、熱媒の温度を上げて冷凍機効率を上げたり、あるいは熱媒の温度差を大きくとり、循環水量を減少させることができる。

本発明に係る空気調和機の構成を示す模式図である。本発明に係る空気調和機の作用を説明する図であって、（Ａ）は従来の充填材方式の空気調和機の場合、（Ｂ）は充填材を２層構成とした本発明に係る空気調和機の場合を示す図である。

符号の説明

１…プレフィルタ
２…中性能フィルタ
３ａ〜３ｃ…充填材
４…再熱コイル
５…送風機
６ａ〜６ｃ…水槽
７…給水管
８…ノズル
９、１０、１２…ポンプ
１１…排水管
２０…チャンバ
３０…熱交換器

Claims

空気取入口と空気供給口との間の空気流路に充填材が配設され、この充填材に冷水又は温水などの熱媒を滴下して、この熱媒に処理対象となる空気を直接接触させることによって該空気の除湿、冷却、加熱または加湿を行う空気調和機において、
前記充填材が、前記空気流路に沿って複数段設けられ、
前記複数の充填材のうち、空気流路に対して最も下流に設けられた充填材から上流側に設けられた充填材に前記熱媒が順次循環供給され、
前記空気の流れと前記熱媒の流れとが対向流とされていることを特徴とする空気調和機。
空気取入口と空気供給口との間の空気流路に充填材が配設され、この充填材に冷水又は温水などの熱媒を滴下して、この熱媒に処理対象となる空気を直接接触させることによって該空気の除湿、冷却、加熱または加湿を行う空気調和機において、
前記充填材が、前記空気流路に沿って複数段設けられ、
前記各充填材の上部には、この充填材に熱媒を滴下するノズルが設けられ、
前記各充填材の下部には、この充填材から排出される熱媒を受ける水槽が設けられ、
前記複数の充填材のうち最も下流に設けられた充填材には、熱媒を供給する熱媒供給部が接続され、
前記各充填材間下部の前記水槽には、この水槽に溜まった熱媒を上流側の充填材上部のノズルに対して送る配管が接続され、この配管には、前記熱媒をポンプアップするポンプが設けられていることを特徴とする空気調和機。