JP2009174754A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給する空気中に水滴が飛散することもなく、精密で応答性に優れた温・湿度調整が可能な空気調和装置を提供する。
【解決手段】除湿ロータ１で除湿した空気を赤外線加湿器９で加湿するようにし、この赤外線加湿器９で、水槽に貯えられた水が赤外線ヒータの加熱による気化と減少分の水補給を経ても対流を生じず、水面付近の水温が赤外線ヒータ以外の要因で変化しないことにより、赤外線ヒータの制御で高精度且つ迅速な湿度調整を行うことができ、後ヒータ８による温度調整と合わせて、精密で応答性に優れた空気調和を実現できる。また、加湿にあたって未気化の水滴が発生しないことから、空気の供給先での水滴によるトラブルの発生を未然に防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばシリカゲルやゼオライトなどの吸着剤を有する除湿ロータを用いて除湿した空気を供給する空気調和装置に関し、特に、精密に供給空気を制御可能な装置に関するものである。

化学工場や製薬工場など、一部の工場や研究所等の生産、試験設備では、雰囲気として温度・湿度を精密に調整した恒温・恒湿空気を換気しながら送る必要がある。こうした恒温・恒湿空気を供給するためには、外気の冷却手段や加熱手段、除湿手段、加湿手段をそれぞれ備える空気調和装置が必要である。

このうち、除湿手段として冷凍式のものを用いた場合、露点が０度以下の空気を作ることができず、また供給空気の温度が下がり過ぎる場合には加熱する必要があるため、エネルギー効率が悪いという問題があった。

このため、空気調和装置としては、エネルギー効率を維持しつつ精密に供給空気の温度・湿度を制御可能なものの開発が求められている。こうした要求に対応する空気調和装置に係る技術として、例えば特許文献１に開示されたものがある。
特開２００３−１３０３９９号公報

前記特許文献１に開示されたものは、除湿手段として除湿ロータを用い、エネルギーロスを減らして温度・湿度を制御した空気を供給するようにしたものである。そして、湿度を調整するために、除湿ロータで一旦低い湿度の空気を作り、加湿手段によって精密に湿度を制御するようにしている。

これは、除湿ロータを用いた除湿手段では、目的の湿度を得るための制御として、除湿ロータの再生温度を調整制御して湿度を変化させる方法があるものの、この方法で湿度を制御すると応答性が悪く、目標とする湿度に達するのに時間が掛かるという問題を伴うことによる。この問題を回避するために、特許文献１に記載のものは、除湿ロータを用いて一旦乾燥空気を作り、その乾燥空気に水を噴霧して加湿することによって、応答性に優れた湿度制御を実現したものとなっている。

しかしながら、特許文献１に記載のものは、水の噴霧による加湿を行っているため、空気中で水滴が十分に気化されないまま、需要側に達する場合があり、需要側の空気利用条件によっては、空気中に水滴が含まれると極めて重大な問題となる場合もある。

こうした問題に対処可能な装置として、霧状等の水滴を一切発生させない加湿器、例えば、容器に組込まれたヒータで容器内の水を蒸発気化させるパン型加湿器を用いることも考えられるが、パン型加湿器はヒータで容器内の水を蒸発可能な高い温度まで加熱するという機構故に、湿度調整時における応答性があまり良くなかった。このために湿度を精密に制御するには適していないものであった。これに対し、超音波加湿器は応答性が比較的に高いものであるが、発振素子が破損し易く、例えば水供給管路が詰まり水供給が悪くなると、一気に発振素子が破壊されるものであり、製造設備などに用いる空気調和装置には適していないものである。つまり、化学工業など生産条件を一定に維持して、生産物の歩留まりを良い状態に維持するには、空気条件を一定にする必要がある場合が多々あるが、空気調和装置が故障すると、歩留まりが悪くなるためラインを停止しなければならないような場合がある。

本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、供給する空気中に水滴が飛散することもなく、応答性に優れ精密に温・湿度調整が可能で信頼性の高い空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明は、空気を前もって冷却する前クーラと、前クーラで冷却された空気を除湿する除湿ロータと、除湿ロータによって除湿された空気を冷却する後クーラと、後クーラによって冷却された空気の温度を加熱調節する後ヒータと、後ヒータによって温度調節された空気を加湿して湿度調節する加湿器を備え、加湿器は水槽の水面に赤外線を照射する赤外線ヒータと水供給管を有し、水供給管によって水が供給された時に赤外線ヒータによって形成された水面付近の高温層を乱さない大きさに水槽を設定したものである。本発明によれば、水槽の水面付近の水は水の供給による影響で温度が変わることはなく、赤外線ヒータの発熱量の制御によって、精密に湿度調整ができるという作用を有する。

本発明は、除湿ロータによって作られた乾燥空気を加湿器で加湿するようにし、その加湿器は水槽と、水槽に貯えられた水の水面部分に赤外線を照射する赤外線ヒータを有し、赤外線ヒータで加熱された水の対流を生じさせないようにしたものであり、水面付近の水の温度は常に赤外線ヒータによって一定温度以上に加熱され、且つ水槽は実質的に対流が発生しない大きさに設定されていることから、水槽への水の供給によって水面付近の水温が低下せず、水面付近の水は僅かの赤外線照射で容易に気化する状態であり、照射赤外線を制御することで気化量を精密に制御可能となる。特に水蒸気圧は温度に対し、指数関数的に高くなるため、沸点に近づくに従って僅かの温度変化で気化量が大きく変化する。

図３に、この水温の変化に伴って気化量が変化し、製品空気の湿度に影響を与えている実測データをグラフ化して示す。この図の左半分は従来装置の測定データを示し、右半分は本発明装置の測定データを示す。この図から、従来装置のように水が供給された時に水温が大きく下がり、水の気化量が瞬間的に減少したことが分かる。しかしながら、本発明のものは、水面近くの水温が大きく変化しないため、水面に照射する赤外線の量によって、高精度の湿度調整を行うことができ、精密な空調を求める特殊な工場などに適した空気調和装置となる。さらに、水供給管路が詰まって水槽内の水位が下がっても、破損に至ることはなく水面に照射する赤外線の量に応じて適切な加湿を維持することができる。

また、超音波加湿器や噴霧式加湿器のように未気化の水滴が発生することがないため、空気の供給先に水滴が飛散することもなく、空気の供給先で水滴によるトラブルの発生を防止できる。また加湿に用いる赤外線ヒータは、一般に寿命の予測が十分に立てられ予期せぬ故障が少ないものであり、信頼性が高く、製造設備の空気を調整する空気調和装置にも適したものである。

以下、本発明の一実施形態に係る空気調和装置を図１及び図２に沿って詳細に説明する。本実施形態に係る空気調和装置は、吸着剤を有して空気を除湿する除湿ロータ１と、この除湿ロータ１で除湿される空気を前もって冷却する前クーラ５と、除湿ロータ１によって除湿された空気を冷却する後クーラ７と、この後クーラ７によって冷却された空気の温度を加熱調節する後ヒータ８と、この後ヒータ８によって温度調節された空気を加湿して湿度調節する赤外線加湿器９と、除湿ロータ１再生用の空気を加熱する再生ヒータ１１とを備える構成である。

除湿ロータ１は、シリカゲルやゼオライト等の吸湿剤を担持したハニカム状の空気流路を有し、モータ（図示せず）によって回転駆動される公知の回転体であり、吸着ゾーン２と再生ゾーン３に分割され、各ゾーンごとに所定の処理がなされた外気が通過するものである。このうち、吸着ゾーン２を出た除湿空気が、温度と湿度をさらに調整された上で空気調和対象空間に調和空気（製品空気ＳＡ）として導入されることとなる。

前クーラ５は、外気を冷却する冷却コイルであり、冷凍機（図示せず）によって冷却された水が流される。この前クーラ５の前段に、外気中の塵埃を除去する空気フィルター４が配設される。そして、前クーラ５と除湿ロータ１の間には、前クーラ５で冷却された空気を除湿ロータ１の吸着ゾーン２へ送るファン６が設けられる。

後クーラ７は、吸着ゾーン２を出た空気を冷却するもので、前クーラ５と同様、冷却コイルであって冷水が流される。前クーラ５及び／又は後クーラ７は、冷却コイルに限られるものではなく、通過する空気を冷却するものであればエバポレータ等他の冷却手段を用いてもかまわない。

後ヒータ８は、後クーラ７で冷却された空気を所望の温度まで加熱するものである。後ヒータ８としては、空気の温度を精密に制御できるように電気ヒータを用いるのが望ましい。すなわち、空気を冷却する手段は、冷凍機のエバポレータや、冷水コイルが一般的であるが、これらのいずれも、冷媒を有するために熱容量が大きく、細かな温度制御が困難である。よって、後ヒータ８を電熱線などの熱容量の小さなものとし、細かな温度調節を後ヒータ８で行うことにより、温度制御の応答性を高められることとなる。つまり製品空気ＳＡの温度は後ヒータ８で制御されるため、前クーラ５や後クーラ７は細かな温度制御に応答する必要がなく、運転コストや設置コストの低い物を用いるとよい。冷水コイルを用いると、天然ガスの気化プラントでできた冷水や、豪雪地域の融雪水など安価で環境負担の少ない冷水を用いることができる。

赤外線加湿器９は、後ヒータ８を通過した空気を加湿するものである。図２に赤外線加湿器９の詳細を示す。赤外線加湿器９は、水供給管１６から水を供給される水槽１３と、この水槽１３の上側に設けられて水槽１３中の水面に赤外線を照射する赤外線ヒータ１４と、赤外線ヒータ１４の背後に設けられる反射板１５とを備える構成である。赤外線ヒータ１４から放射される赤外線で水槽１３の水面付近の水を加熱し、水面付近に生じた高温層１９から蒸発した水分で、空気流入口１７と空気流出口１８との間を通過する空気を加湿する仕組みである。

この赤外線加湿器９に入る空気の条件は、前クーラ５、除湿ロータ１、後クーラ７、後ヒータ８によって常に一定に維持されており、赤外線加湿器９による加湿量は、赤外線ヒータ１４の放出する赤外線の量によって決定される。

水供給管１６は水槽１３の底面付近に設置され、気化によって減った水の量と等量の水を水槽１３に供給するものである。この水の供給量と水供給管１６の出口の大きさによって、水供給管１６から出る水の速度は決まるが、この水の速度は水中を進むにつれて次第に低下することから、水槽１３をその底面積や深さを十分に取った容量の大きなものとし、水槽１３底面側の水供給管１６と水面とを離隔させることにより、水供給管１６から出た水によって水槽１３内に発生する乱流が、水面付近の水の高温層１９に影響を与えるのを阻止できる。言い方を変えると、水槽１３は、水が赤外線ヒータ１４によって気化し、その気化量の分だけ水が供給された時に、水槽内に発生する乱流によって水面近くの高温層１９が影響を受けない深さと広さを有する。

従って、赤外線加湿器９においては、赤外線ヒータ１４からの赤外線放射がなされる間、高温層１９における水の温度は常に一定に維持されることとなり、赤外線ヒータ１４の赤外線放射量を制御することで、速い応答速度で気化量を制御できる。空気を冷却し結露を生じさせる方法による除湿における湿度調整や、除湿ロータを用いた湿度調整では、細やかで迅速な湿度調整が困難であるため、除湿ロータ１による除湿と組合わせて、この赤外線加湿器９を用いることで、湿度制御の応答性に優れ、精密に湿度調整した空気を確実に得られる。

ここで、水槽内１３に発生する乱流によって水面近くの高温層１９が影響を受けない深さと広さとは、具体的には、例えば水供給管１６から温度の低い水が供給された場合であっても、高温層１９における水の温度をある範囲に維持でき、気化量の変化を一定範囲とすることができる結果、所望湿度に調節された空気を供給できるものを言う。例えば、水の温度の変動幅を２℃以内に維持できると、気化量の変化を一定範囲とすることができる結果、±０．５％以内に調節された空気を供給できる。本実施例の場合、高温層１９の温度を７６〜７８℃程度に維持した。この場合、７６℃における水蒸気圧は４０，１７９Ｐａであり、７８℃における水蒸気圧は４３，６３９Ｐａである。高温層１９の温度が約７７℃では僅かの温度差（２℃）によって水蒸気圧は大幅に（９%以上）変化するが、この温度が所定範囲内に制御されるため、気化量の変化は問題のない範囲となる。

水温変化によって水の気化量が大きく変動するため、供給空気の湿度を精密に制御し、例えば相対湿度を±０．５％の変動に抑えるには水温の変化を如何に小さくするかが問題である。一般に、供給する水を予備加熱するようにすると、構成が複雑になり価格が上昇するが、本発明の場合は水槽１３への水供給管１６と水槽１３の関係を工夫したものであるので、価格が高くなるものではない。図３に示す実験では、従来装置として水槽の容量を０．０１ｍ³のものを用い、本発明実施例として０．０２ｍ³のものを用いた。

再生ヒータ１１は、ファン１２の誘引によって空気フィルター１０を通過して導入される除湿ロータ１再生用の外気ＯＡを加熱するものである。再生ヒータ１１は、外気を例えば１１０℃〜１４０℃程度まで加熱するものであり、この加熱された空気が除湿ロータ１の再生ゾーン３に通される。

次に、本発明の一実施形態に係る空気調和装置の動作を説明する。ファン６の運転によって外気ＯＡが吸い込まれ、空気フィルター４によって外気中の塵埃が除去され、前クーラ５によって温度が下げられ、外気の空気条件によっては結露によって除湿される。

ファン６を出た空気は、処理ゾーン２を通過することによって湿度を下げられ、乾燥空気となる一方、吸着熱によって温度を上昇させる。続いて、後クーラ７によって乾燥空気の温度が下げられるが、空気の湿度が低下しているため、この後クーラ７では結露を生じない。

後クーラ７で温度を低下させた空気を、後ヒータ８で加熱することで、適切な温度への調整を実行する。後ヒータ８は電熱線などの熱容量の小さなもので構成されていることから、細かな温度調節を行っても応答性よく対応でき、確実な温度制御が行える。

後ヒータ８を通過した空気は、赤外線加湿器９に導入される。この赤外線加湿器９においては、赤外線ヒータ１４から放射される赤外線によって水槽１３の水面付近の水が加熱され、空気が空気流入口１７から空気流出口１８に至る間、水面付近に生じた高温層１９から気化した水分で空気が加湿され、空気は所定の湿度に調整される。赤外線加湿器９では、気化した水の量と同じ量の水が水供給管１６から水槽１３内に供給されるが、水供給管１６から出た水による影響は高温層１９には及ばず、赤外線放射量の制御のみで、空気の湿度調整が行えることとなる。この赤外線加湿器９によって湿度が調整された空気は、製品空気ＳＡとなって供給先へ送られる。図３は製品空気の湿度変化を示すグラフである。これによれば、水の供給によっても製品空気の湿度が小刻みに変化することもなく、製品空気の湿度は、極めて安定していることがわかる。

一方、除湿ロータ１再生用の外気ＯＡは、ファン１２の誘引によって空気フィルター１０を通過して再生ヒータ１１に導入される。再生ヒータ１１で加熱された高温空気は除湿ロータ１の再生ゾーン３に通され、除湿ロータ１に吸着された湿気を脱着する。再生ゾーン３を通過した多湿空気は、ファン１２により大気中へ放出される。

このように、本実施形態に係る空気調和装置は、除湿ロータ１で除湿した空気を赤外線加湿器９で加湿するようにし、この赤外線加湿器９で、水槽１３に貯えられた水が加熱による気化と減少分の補給を経ても対流を生じず、水面付近の水温が赤外線ヒータ１４以外の要因で変化しないことにより、赤外線ヒータ１４の制御で高精度且つ迅速な湿度調整を行うことができ、後ヒータ８による温度調整と合わせて、精密で応答性に優れた空気調和を実現できる。また、加湿にあたって未気化の水滴が発生しないことから、空気の供給先での水滴によるトラブルの発生を未然に防止できる。

本発明の空気調和装置は、極めて精密に温度・湿度を制御した空気を供給可能なものであり、恒温、恒湿状態の雰囲気が必要な試験設備や精密な加工を行う工場などに適用でき、極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置の概略構成説明図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置における赤外線加湿器の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和装置及び従来装置の製品空気湿度変化並びに水温を測定したグラフである。

符号の説明

１ 除湿ロータ
２ 吸着ゾーン
３ 再生ゾーン
４、１０ 空気フィルター
５ 前クーラ
６、１２ ファン
７ 後クーラ
８ 後ヒータ
９ 赤外線加湿器
１１ 再生ヒータ
１３ 水槽
１４ 赤外線ヒータ
１５ 反射板
１６ 水供給管
１７ 空気流入口
１８ 空気流出口
１９ 高温層

Claims (3)

1. 空気を冷却する前クーラと、
   前記前クーラで冷却された空気を除湿する除湿ロータと、
   前記除湿ロータによって除湿された空気を冷却する後クーラと、
   前記後クーラによって冷却された空気の温度を加熱調節する後ヒータと、
   前記後ヒータによって温度調節された空気の湿度を加湿調節する加湿器とを備え、
   前記加湿器は、水供給管から供給される水を所定量貯留する水槽と、当該水槽中の水面に赤外線を照射して水を加熱し蒸発させる赤外線ヒータとを有し、
   前記水槽が、水の蒸発分を逐次補う水供給管からの水供給で生じる水流が水面付近には達しない程度に、水供給管と水面とを離隔させられる大きさとして形成されることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記後ヒータは電気ヒータである、請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記前クーラ及び／又は後クーラは、冷水コイルである、請求項１又は２に記載の空気調和装置。