JP2006336926A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置構成にて省エネルギー化を実現し且つ温度と湿度を広範囲で正確に制御できるようにする。
【解決手段】空気に水３５を直接接触させて加湿を行う加湿装置２２と、加湿装置２２で加湿した空気の一部を導入し露点以下の低温水２３と直接接触させて冷却を行う直接冷却装置２４と、加湿装置２２で加湿した空気の残りの空気を通すバイパス通路２５と、直接冷却装置２４からの空気とバイパス通路２５からの空気を導入して混合する混合室２６と、混合室２６からの空気を導入して加熱する加熱装置２７と、直接冷却装置２４とバイパス通路２５に導く空気の流量を調節する流量調節手段２９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調装置に関し、特に省エネルギー化を実現し且つ温度と湿度を広範囲で正確に制御できるようにした空調装置に関する。

図３は、外調機を備えて被空調室の空気の温度及び湿度を調節する従来の空調装置の一例を示すもので、外調機である空調装置１は、被空調室２からの空気３と外気４とを導入するケーシング５を有し、該ケーシング５内には、上流において導入した空気を除塵するエアフィルタ６と、該エアフィルタ６の下流に備えて空気の冷却と除湿とを行う冷却装置７と、該冷却装置７の下流に備えた加熱装置８と、該加熱装置８の下流に備えた加湿装置９とを有し、空調装置１によって温度と湿度が調節された空気は送風機１０（ファン）により前記被空調室２に供給されるようになっている。

前記エアフィルタ６には、除塵用としては濾過式フィルタや静電式電気集塵器等が用いられ、また、汚染ガス除去用としては活性炭フィルタやエアワッシャ等が用いられる。

前記冷却装置７には、プレートフィンコイルやフィンコイル形の熱交換器が用いられ、冷却塔１１の冷却水を利用して冷却を行う冷凍機１２の熱媒体１３を前記冷却装置７の伝熱管７ａ内に循環させて管外面で空気を冷却するようにしている。

前記加熱装置８には、プレートフィンコイルやフィンコイル形の熱交換器が用いられ、ボイラ１４からの高温の蒸気を前記加熱装置８の伝熱管８ａ内に流して管外面で空気を加熱するようにしている。

前記加湿装置９では、前記ボイラ１４からの蒸気の一部を噴霧ノズル９ａで噴霧する等の方法によって空気を加湿するようにしている。図中３ａは送風機１０から出た空気をダンパを切り換えてエアフィルタ６に循環するバイパスダクトであり、空気が所定温度と所定湿度になった後にはダンパを切り換えて被空調室２に空気を供給するようにしている。尚、上記パイパスダクト３ａは備えなくてもよい。

図３に示す従来の空調装置１において空気の除湿を行う場合には、エアフィルタ６を通った空気を冷却装置７により水の露点（湿度の大きさによるが例えば１２℃）以下に冷却することで行う。しかし、湿度が高い際に目的湿度（例えば６０％）になるように冷却装置７で冷却を行った場合には、空気温度が目的温度（例えば被空調室内の温度２８℃を維持するために必要な空気温度２０℃）より大幅に低い温度まで冷却されてしまうこと（冷却過多）が発生する。従って、この場合には加熱装置８にて空気を再び加熱することにより目的温度（例えば２０℃）を保持する必要がある。

また、空気の温度が高い際にも、冷却装置７によって空気温度を目的温度（例えば２０℃）になるまで冷却する。しかし、この場合には、冷却によって除湿されるために空気湿度が目的湿度（例えば６０％）より大幅に低い湿度まで除湿されてしまうこと（除湿過多）が発生する。従って、この場合には加湿装置９にて加湿することにより目的湿度を保持する必要がある。

しかし、前記したように、特に湿度が高い際には、空気を冷却装置７で冷却して目的湿度（例えば６０％）を保持するがこの時空気は過剰に冷却されてしまうので、その後に加熱装置８で再び加熱することによって目的温度（例えば２０℃）を保持させる必要があるため、冷却装置７と加熱装置８の両方でエネルギーが必要になる。即ち、従来の空調装置１では、空気の除湿を行うために水の凝縮潜熱総量に対し３倍以上の冷却を行った後に、再加熱するようにしているために、エネルギーの無駄が多く、運転コストが大幅に増加してしまう問題を有していた。

また、前記冷却装置７と加熱装置８は、プレートフィンコイルやフィンコイル形の熱交換器であるため、空気側の熱伝達率が低いという問題がある。このため、フィン等の伝熱部材を取り付けることにより伝熱面積を増やし、空気流速を上げて熱伝達の促進を図ることが行われている。しかし、このようにした場合には熱交換器の大型・複雑化を招くと共に、空気の流動抵抗が増加することになり、よって送風機１０のファン動力が増加し、運転コストが増大するために実用上の限界があった。また、図３の空調装置１では、前記冷却装置７と加熱装置８の他にエアフィルタ６を備えているために、空気の流動抵抗が更に増加して送風機１０のファン動力が増加するという問題がある。

また、前記冷却装置７では、プレートフィンコイルやフィンコイル形の熱交換器の伝熱管７ａ内に冷凍機１２からの熱媒体１３を循環供給するようにしているために、大きなポンプ動力が必要であるという問題がある。

このために、空気に冷水を直接噴霧することで熱交換効率を高め、同時にファン動力の低減を図るようにしたものが特許文献１に示されている。また、冷水噴霧によって温度を降下させた空気を室内空気と混合することにより再熱的な効果を得るようにしたものが特許文献２に示されている。
特開平０５−０７９６６２号公報 特開２００３−００９６７８号公報

前記特許文献１には、空気の湿度の調整のために、蓄熱水槽の冷水を空気冷却器に噴霧して空気との直接接触による熱交換を行い、熱交換した冷水を三方弁にて前記冷水に混合することにより冷水温度を調節すること、及びファンによる空気流量を調節することが示されている。しかし、実際に湿度負荷が高い場合には、水分を凝縮させて目的湿度（例えば６０％）まで低下させると室内温度が目的温度（例えば２０℃）より低い温度まで下がり過ぎてしまう問題があり、一方、目的温度（例えば２０℃）を実現しようとすると湿度を目的湿度（６０％）まで下げることができない。この問題は特に導入外気の湿度が高い夏季に生じ易い。また、熱負荷が高い場合には、目的湿度（例えば６０％）を実現しようとすると、室内温度は全く下がらず、また、目的温度（例えば２０℃）を実現とようとすると湿度は非常に低くなってしまう問題がある。この問題は特に導入外気の湿度が低い冬季に生じ易い。

従って、特許文献１においても前記図３の従来の空調装置と同様に、空気の温度と湿度を正確に制御するためには、空気を冷却した後で再び加熱するまたは加湿する手段が必要であり、省エネルギー化が図れない問題がある。

また、特許文献２には、冷水噴霧によって温度を降下させた空気を室内空気と混合することにより再熱的な効果が得られることが示されているが、この方法では、室内に供給する空気の温度と湿度を正確に調整することはできない。

上記したように、図３の従来の空調装置、及び特許文献１、２に示される如く単に空気を冷却することで温度と湿度を調整する方法では、温度と湿度を広い範囲においてしかも正確に制御するためには、冷却した後に加熱或いは加湿を行う必要があり、よって省エネルギー化が図れないという問題を有していた。

本発明は上記実情に鑑みてなしたもので、簡単な装置構成にて省エネルギー化を実現し且つ温度と湿度を広範囲で正確に制御できるようにした空調装置を提供しようとするものである。

本発明は、空気に水を直接接触させて加湿を行う加湿装置と、該加湿装置で加湿した空気の一部を導入し露点以下の低温水と直接接触させて冷却を行う直接冷却装置と、前記加湿装置で加湿した空気の残りの空気を通すバイパス通路と、前記直接冷却装置からの空気とバイパス通路からの空気を導入して混合する混合室と、該混合室からの空気を導入して加熱する加熱装置と、前記直接冷却装置と前記バイパス通路に導く空気の流量を調節する流量調節手段と、を備えたことを特徴とする空調装置、に係るものである。

前記空調装置において、前記加湿装置に導入される空気の温度と湿度が変化しても、直接冷却装置とバイパス通路を通る空気の割合を変更することにより、混合室の空気の湿度は目的湿度に保持され、且つ前記混合室の空気の温度は目的温度又は目的温度より低い温度に保持されるようにしてあることは好ましい。

前記空調装置において、前記加湿装置は、加湿空間内に設けた充填物と、該充填物に水を滴下する滴下器と、前記加湿空間底部の水を前記滴下器に導く循環流路とを有することは好ましい。また、前記循環流路に水フィルタ或いは純水装置を備えることは好ましい。

前記空調装置において、前記直接冷却装置は、冷却空間内に設けた充填物と、該充填物に低温水を滴下する滴下器と、前記冷却空間底部の低温水を導入して露点以下に冷却する水冷却装置と、該水冷却装置の低温水を前記滴下器に導く循環流路とを有することは好ましい。また、前記循環流路に水フィルタ或いは純水装置を備えることは好ましい。更に、前記水冷却装置は氷蓄熱装置であっても、或いは冷凍機であってもよい。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

空気と水を直接接触させる加湿装置によって加湿した空気は、空気に露点以下の低温水を直接接触させる直接冷却装置と、空気を通すバイパス通路とに、流量調節手段を介して振り分けて供給される。そして、前記直接冷却装置からの空気とバイパス通路からの空気は混合室で混合される。この時、混合室での空気の湿度が目的湿度に保持され、温度が目的温度又は目的温度より低い温度に保持されるように前記流量調節手段による空気の振り分けを調整する。従って、混合室の空気温度が目的温度より低い場合にのみ加熱装置により空気の加熱を行えば、目的温度と目的湿度の空気が得られる。よって、簡単な装置構成で温度と湿度を広範囲にしかも正確に調整できると共に、再加熱を最小限に押えて省エネルギー化を図ることができる。

本発明の空調装置によれば、加湿装置により空気を加湿した後、直接冷却装置とバイパス通路に空気を振り分けて導入することにより、混合室での空気湿度を目的湿度に保持した状態において、空気温度を目的温度又は目的温度より低い温度に保持することができる。従って、混合室の空気温度が目的温度より低い場合にのみ空気の加熱を行えば目的温度と目的湿度の空気が得られるので、簡単な装置構成で空気の温度と湿度を広範囲にしかも正確に調整できると共に、再加熱を最小限に押えることで省エネルギー化が達成できる効果がある。

更に、加湿装置及び直接冷却装置が、空気を通す充填物に水或いは低温水を流下させて直接接触させる構成としてあるので、加湿装置及び直接冷却装置における空気の流動抵抗は小さく、よってファン動力を低減できる効果がある。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示す概略フロー図であり、図１中２０は被空調室２の空調を行う本発明の空調装置、１０は空調装置２０で温度と湿度を調整した空気を被空調室２に供給する送風機（ファン）を示し、図３と同一部分には同一の符号を付して説明は省略する。

空調装置２０は、前記被空調室２からの空気３と外気４とを導入するケーシング２１を有し、該ケーシング２１内には、上流に備えて空気に水３５を直接接触させて加湿を行う加湿装置２２と、該加湿装置２２で加湿した空気の一部を導入し露点以下の低温水２３と直接接触させて冷却を行う直接冷却装置２４と、前記加湿装置２２で加湿した空気の残りの空気を通すバイパス通路２５と、前記直接冷却装置２４からの空気とバイパス通路２５からの空気を導入して混合する混合室２６と、該混合室２６からの空気を導入して加熱する加熱装置２７とを有している。

更に、前記加湿装置２２の下流には室２８が形成してあり、該室２８には、前記直接冷却装置２４と前記バイパス通路２５に導く空気の流量を振り分けて調整するようにした流量調節手段２９を設けている。図１の流量調節手段２９は、前記直接冷却装置２４側の開度が大きい時は前記バイパス通路２５側の開度が小さく、また、前記バイパス通路２５側の開度が大きい時は前記直接冷却装置２４側の開度が小さくなるように、リンク３０により繋がれて駆動装置３１により直接冷却装置２４側とバイパス通路２５側とで逆の開閉動作が行われるようにしたダンパ３２，３３を設けた場合を示している。しかし、前記流量調節手段２９は上記ダンパ３２，３３による方式に限定されるものではなく、直接冷却装置２４とバイパス通路２５に導く空気の流量を調節できるものであれば種々の方式のものを採用することができる。

前記加湿装置２２は、加湿空間内に設けた例えばシート状等の充填物３４と、該充填物３４に水３５を滴下する滴下器３６と、前記加湿空間底部の水３５を取り出して補充の水と共に前記滴下器３６に導くポンプ３７及び水フィルタ３８を備えた循環流路３９とにより構成されている。尚、空調装置２０をクリーンルーム等に適用する場合には、前記水フィルタ３８に代えてイオン交換樹脂等を用いて純水化する純水装置を設けることは好ましい。

前記直接冷却装置２４は、冷却空間内に設けた例えばシート状等の充填物４０と、該充填物４０に低温水２３を滴下する滴下器４１と、前記冷却空間底部の低温水２３を取り出して補充の水と共に露点以下に冷却する水冷却装置４２及びポンプ４３と水フィルタ４４を有して前記滴下器４１に低温水２３を導く循環流路４５とにより構成されている。４６は水冷却装置４２にポンプ４７を介して冷却水を循環供給するように接続した冷却塔である。また、前記水冷却装置４２には一般に知られている氷蓄熱装置或いは冷凍機を用いることができる。

前記加熱装置２７は、ボイラ１４からの高温の蒸気を熱交換器の管内に流して管外面で空気を加熱するようになっている。

以下に上記形態の作動を説明する。

被空調室２からの空気３と外気４は、先ず空調装置２０の加湿装置２２に導入されて加湿される。加湿装置２２ではシート状等の充填物３４に、循環流路３９にて循環される水３５が滴下器３６を介して供給されているので、前記空気は充填物３４のシート間を通る際に水３５と直接接触して湿度が高められ、これと同時に、空気の顕熱が水の潜熱に変換される。この時、加湿装置２２に循環する水３５は常温の水でよく、ポンプ３７の駆動を調節することにより空気の加湿量を調整することができる。また、前記充填物３４を流下する水３５は空気と接触することによって除塵し、水３５に取り込まれた塵は循環流路３９に設けた水フィルタ３８或いは純水装置によって除去される。

前記加湿装置２２で加湿された空気は、室２８の流量調節手段２９により直接冷却装置２４とバイパス通路２５とに振り分けて導入される。

直接冷却装置２４に導入された空気は水の露点以下に冷却される。即ち、直接冷却装置２４のシート状等の充填物４０には、循環流路４５の水冷却装置４２によって露点以下に冷却された低温水２３が滴下器４１を介して供給されているので、前記空気は充填物４０のシート間を通る際に低温水２３と直接接触して冷却される。この時、前記加湿装置２２によって空気の顕熱が水の潜熱に変換されていることにより、前記空気は低温水２３との接触によって非常に高効率で凝縮冷却される。従って、前記直接冷却装置２４に導かれた空気は、効果的な冷却と除湿が行われて、混合室２６に導かれる。

一方、バイパス通路２５に導かれた空気は、加湿されたままの状態で混合室２６に導かれ、前記直接冷却装置２４を経た空気と混合される。

この時、前記加湿装置２２に導入される空気の温度と湿度が変化しても、直接冷却装置２４とバイパス通路２５に導入する空気の振り分けを変更することにより、混合室２６の空気湿度は目的湿度（例えば６０％）に保持され、且つ混合室２６の空気温度は目的温度（例えば２０℃）又は目的温度より低い温度に保持されるように、前記加湿装置２２と直接冷却装置２４の能力を決定する。

前記加湿装置２２に供給される空気の湿度と温度が共に高い夏季の場合について、温度と湿度の関係を示す図２のグラフを参照して説明する。加湿装置２２には外気給気と室内給気が取り入れられて、滴下器３６から供給される水と接触し空気相対湿度が例えば７０％に加湿されて室２８に入る。続いて、流量調節手段２９を調整することにより直接冷却装置２４に導入される空気量が多く、バイパス通路２５に導入される空気量が少なくなるように空気を振り分ける。

すると、直接冷却装置２４では効率的な凝縮冷却によって目的温度より低い温度で且つ目的湿度より低い湿度の空気が得られるので、この低温・低湿度の空気が前記バイパス通路２５を経た高温・高湿度の少量の空気と混合室２６で混合されることによって、目的温度（例えば２０℃）で且つ目的湿度（６０％）の空気が得られるようになる。混合室２６の空気が目的湿度で且つ目的温度を保持できる場合には、そのまま送風機１０により被空調室２に供給されて室内換気が行われる。

また、前記加湿装置２２に供給される図２の空気湿度が低く空気温度が高い場合には、前記と同様に加湿装置２２により例えば７０％の空気相対湿度に加湿した後、流量調節手段２９によって直接冷却装置２４に導入する空気量と、バイパス通路２５に導入する空気量とが例えば同等になるように振り分ける。

すると、直接冷却装置２４では効率的な凝縮冷却によって目的温度より低い温度で且つ目的湿度より低い湿度の空気が得られるので、この低温・低湿度の空気を前記バイパス通路２５を経た高温・高湿度の空気と混合室２６で混合することにより、目的温度で且つ目的湿度の空気が得られる。

上記したように、加湿装置２２では空気の加湿が行われ、しかも空気の加湿を行うと空気の顕熱が水の潜熱に変換されることにより直接冷却装置２４での凝縮冷却が高められて効率的な冷却と除湿が行われるようになるので、流量調節手段２９によって直接冷却装置２４とバイパス通路２５に導入する空気の振り分けを調整すると、混合室２６における空気を正確な目的温度と目的湿度に保持できるようになる。

更に、混合室２６の空気を目的温度と目的湿度に保持できる範囲内において、バイパス通路２５に流す空気量を最大にすることは、省エネルギー化を図る上で好ましい。

一方、前記加湿装置２２に供給される空気の湿度が高く温度が低い場合は、前記加湿装置２２による加湿を行うことなしに、混合室２６での空気の湿度が目的湿度を保持できるように、流量調節手段２９により直接冷却装置２４に導入する空気量とバイパス通路２５に導入する空気量とを調整する。この時、直接冷却装置２４では冷却除湿のために空気温度を更に低下することになるために、混合室２６の空気の温度は目的温度よりも低い温度となる。

このように、混合室２６の空気温度が目的温度より低い場合には、下流の加熱装置２７で空気を目的温度まで加熱する。そして、目的湿度と目的温度が保持された空気は送風機１０により被空調室２に供給される。

従って、本発明では、混合室２６の空気温度が目的温度より低い場合にのみ加熱装置２７による空気の加熱を行うことで、常に目的温度と目的湿度の空気が得られるようになる。よって、簡単な装置構成で空気の温度と湿度を広範囲にしかも正確に調整することができ、更に、加熱装置２７による再加熱を最小限に押えて省エネルギー化を図ることができる。

また、加湿装置２２及び直接冷却装置２４は、空気を通す充填物３４，４０に水３５或いは低温水２３を流下させて直接接触させる構成としてあるので、加湿装置２２及び直接冷却装置２４における空気の流動抵抗は小さく、よってファン動力を低減することができる。

また、前記加湿装置２２、直接冷却装置２４、バイパス通路２５は、空気が通り抜けるのみであり空気の流動抵抗が小さいのでファン動力を小さくでき、また、加湿装置２２では水３５を流下させ、直接冷却装置２４では低温水２３を流下させる構成であるためポンプ圧力を高くする必要ないのでポンプ動力を小さくでき、よって、従来のような大きなファン動力やポンプ動力が不要であり、省エネルギー化を更に促進することができる。

なお、上記空調装置の形態では、加湿装置と直接冷却装置において、充填物に滴下器を用いて水或いは低温水を供給することにより、空気と水、空気と低温水を直接接触させる場合について例示したが、この方法以外でも空気と水、空気と低温水を直接接触させられる方法であれば種々の方法が採用でき、例えばポンプ動力を無視した場合には噴霧による方法も採用できること、加熱装置による空気の加熱にはボイラの蒸気を用いる以外にも種々の加熱源或いは加熱装置を用いることができること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略フロー図である。 本発明における温度と湿度の関係を示すグラフである。 従来における空調装置の一例を示す概略フロー図である。

符号の説明

２０ 空調装置
２２ 加湿装置
２３ 低温水
２４ 直接冷却装置
２５ バイパス通路
２６ 混合室
２７ 加熱装置
２９ 流量調節手段
３４ 充填物
３５ 水
３６ 滴下器
３８ 水フィルタ
３９ 循環流路
４０ 充填物
４１ 滴下器
４２ 水冷却装置（氷蓄熱装置、冷凍機）
４４ 水フィルタ
４５ 循環流路

Claims (8)

1. 空気に水を直接接触させて加湿を行う加湿装置と、該加湿装置で加湿した空気の一部を導入し露点以下の低温水と直接接触させて冷却を行う直接冷却装置と、前記加湿装置で加湿した空気の残りの空気を通すバイパス通路と、前記直接冷却装置からの空気とバイパス通路からの空気を導入して混合する混合室と、該混合室からの空気を導入して加熱する加熱装置と、前記直接冷却装置と前記バイパス通路に導く空気の流量を調節する流量調節手段と、を備えたことを特徴とする空調装置。
2. 前記加湿装置に導入される空気の温度と湿度が変化しても、直接冷却装置とバイパス通路を通る空気の割合を変更することにより、混合室の空気の湿度は目的湿度に保持され、且つ前記混合室の空気の温度は目的温度又は目的温度より低い温度に保持されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記加湿装置は、加湿空間内に設けた充填物と、該充填物に水を滴下する滴下器と、前記加湿空間底部の水を前記滴下器に導く循環流路とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置。
4. 前記循環流路に水フィルタを備えたことを特徴とする請求項３に記載の空調装置。
5. 前記直接冷却装置は、冷却空間内に設けた充填物と、該充填物に低温水を滴下する滴下器と、前記冷却空間底部の低温水を導入して露点以下に冷却する水冷却装置と、該水冷却装置の低温水を前記滴下器に導く循環流路とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の空調装置。
6. 前記循環流路に水フィルタを備えたことを特徴とする請求項５に記載の空調装置。
7. 前記水冷却装置は氷蓄熱装置であることを特徴とする請求項５又は６に記載の空調装置。
8. 前記水冷却装置は冷凍機であることを特徴とする請求項５又は６に記載の空調装置。
   

Images