JP3754586B2

JP3754586B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP3754586B2
Application number: JP2000003620A
Authority: JP
Inventors: 猛海老根
Original assignee: Techno Ryowa Ltd
Current assignee: Techno Ryowa Ltd
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2001193964A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱源として比較的低温度の温水を用い、加湿器として気化式加湿器を用いた空気調和機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、かかる設備においては、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。
【０００３】
このような空気調和機として、従来から提案されているものの一例を、図３を参照して以下に説明する。すなわち、図中、左側を空気取入口、右側を空気供給口とするハウジング１の内部に、取入口側から、外気の塵埃を取り除くフィルタ２、循環する冷水によって空気を冷却する冷却コイル３、循環する温水によって空気を加熱する加熱コイル４、ボイラで発生させた蒸気を空気の通過過程に供給して加湿する蒸気式加湿器５、ハウジング１外へ空気を吐出す送風機６が配設されている。
【０００４】
冷却コイル３、加熱コイル４及び蒸気式加湿器５には、それぞれ冷水、温水及び蒸気の流量を制御するバルブ７，８，９が設けられている。また、加湿空気の供給口には、複数の温度及び湿度センサ１０が取り付けられており、温湿度制御器１０´に接続され、この温湿度制御器１０´によって、供給空気の温度及び湿度があらかじめ定められた一定の値となるように、冷却コイル３内の冷水、加熱コイル４内の温水、蒸気式加湿器５の蒸気の量が制御される構成となっている。
【０００５】
以上のような従来技術による温度及び湿度制御を、図４の湿り空気線図を参照して以下に説明する。なお、図４に示したＡｗ〜Ｄｗ、Ａｓ〜Ｃｓは、図３で示したＡ〜Ｄの位置における空気の状態に対応している。
【０００６】
すなわち、冬季などの空気の加熱及び加湿が必要な場合には、送風機６を作動させるとともに、加熱コイル４及び蒸気式加湿器５のバルブ８，９を開とする。すると、ハウジング１の空気取入口から外気が流入する（Ａ点）。流入した空気は、フィルタ２を介して塵埃が濾過された後、加熱コイル４によって加熱される（Ｃ点）。これにより、図４のＡｗとＣｗを結ぶ実線で示すように、乾球温度が推移する。
【０００７】
そして、加熱された空気は、蒸気式加湿器５による加湿が行われ（Ｄ点）、送風機６によって供給口から供給される。なお、蒸気加湿は加熱を伴うので、図４のＣｗとＤｗを結ぶ実線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。
【０００８】
一方、夏季などの空気の除湿が必要な場合には、送風機６を作動させるとともに、冷却コイル３及び加熱コイル４のバルブ７，８を開とする。すると、ハウジング１の空気取入口から外気が流入する（Ａ点）。流入した空気は、フィルタ２を介して塵埃が濾過された後、冷却コイル３によって冷却される（Ｂ点）。これにより、図４のＡｓとＢｓを結ぶ点線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。
【０００９】
そして、冷却された空気は、必要に応じて、加熱コイル４による再熱が行われ（Ｄ点）、送風機６によって供給口から供給される。この再熱は、室内冷却負荷発生量が少ない場合、恒温・恒湿を達成するために必要であり、図４のＢｓとＣｓを結ぶ点線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような従来の空気調和機を、半導体製造工場のクリーンルームのように、室内から発生する冷却顕熱負荷が大きい工場等において用いる場合には、供給口における空気は、年間を通して、なるべく低温度のまま、すなわち相対湿度１００％に出来る限り近い値に維持できることが望ましい。
【００１１】
しかし、蒸気式加湿器による加湿の場合には、蒸気加湿位置と送風機の位置を離して、水分が流通空気に分散吸収されるまでの蒸発吸収距離を長くとる必要があるが、これにより空気調和機の寸法が長くなり、実用上、図４のＤｗに示すように、相対湿度８０％程度が限界となる。このため、室内の温湿度を満足させるためには、蒸気加湿の前に余分な加熱が必要であった。
【００１２】
また、夏季等の除湿が必要な期間にも、冷却コイル３による冷却後、冬季に合わせた一定の相対湿度（例えば、８０％）及び乾球温度（例えば、１６℃）とするのが一般的で、これにより、年間安定した制御が可能で、季節により供給口の温湿度設定値を変える必要がなく、維持管理が容易である。しかし、一方では、図４のＢｓ−Ｃｓに示すように、加熱コイル４による再加熱が必要となり、ランニングコストがかかるという問題がある。
【００１３】
なお、恒温恒湿でない一般空調の場合は、気化式加湿器の加湿飽和効率が７０〜８０％であり、加湿量が不足することが多かった。
【００１４】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、簡単な構成で、温湿度精度が高く、ランニングコストを低減でき、また充分な加湿量を得られる空気調和機を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、空気取入口と空気供給口との間の空気流路に、冷水循環式の冷却コイル、温水循環式の加熱コイル及び気化式加湿器が設けられ、前記空気取入口から導入した空気の温度及び湿度を調整して前記空気供給口から供給する空気調和機において、以下のような技術的特徴を有する。
【００１６】
すなわち、請求項１記載の発明は、前記加熱コイルの風下に前記気化式加湿器が配設された加温加湿部が、空気の流通方向に複数段設けられ、前記空気供給口の近傍には、供給空気の温度を測定する一つの温度検出手段が設けられ、前記加熱コイル及び前記冷却コイルには、バルブが設けられ、前記一つの温度検出手段及び前記バルブには、前記一つの温度検出手段の検出信号に基づいて、前記バルブの開閉を制御する制御装置が接続されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項１記載の発明では、冬季等の加温加湿時には、空気取入口から流入した空気は、複数段の加温加湿部において、加熱コイルによる加温と気化式加湿器による加湿が行われた後に、空気供給口から供給される。このように、複数段階の加温加湿を行うと、各段における加熱が例えば冷凍機排熱のような低温水で、加湿が気化式であっても、必要量の加温加湿が可能であり、ランニングコストを節約できる。特に、気化式加湿器を用いることによって加湿蒸気が不要となり、省エネルギーが可能である。また、空気路全体に均一に加湿することができ、温湿度精度が向上する。さらに、空気供給口における空気の相対湿度をほぼ飽和状態の一定値にすることができるので、温度検出のみによって、冷水及び温水量を制御すればよく、制御構造が単純となり、コストが節約できる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記加熱コイルの風下に前記気化式加湿器が配設された加温加湿部が、空気の流通方向に複数段設けられ、風上の加温加湿部における加熱コイルから、風下の加温加湿部における加熱コイルへと温水が供給可能に設けられ、個々の加温加湿部における加熱コイルは、空気流に対して対向流となるように、温水の入り口側が風下に設けられていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項２記載の発明では、個々の加熱コイルは対向流となっているので熱交換効率が良い。また、風上の加温加湿部における加熱コイルに最も高温の温水が供給され、空気温度をなるべく高くし、従って風上側の気化式加湿量が多くなる。そして、風下の加温加湿部における加熱コイルになるに従って低温となるが、ここでの熱交換量は少なく、相対湿度も比較的高いため、風下側の気化式加湿により相対湿度は上昇する。つまり、加熱コイルによる温度上昇と気化式加湿による温度低下を、各段において最適の温度で補いながら、複数段階で相対湿度を向上させることができ、温水を効率良く利用することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の空気調和機において、前記加温加湿部は、風上側に配置された第１の加温加湿部と、風下側に配置された第２の加温加湿部とを有し、前記第１の加温加湿部は、前記気化式加湿器を１台備え、前記第２の加温加湿部は、前記気化式加湿器を２台備えていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項３記載の発明では、第１の加温加湿部において、加熱コイルによって加熱された空気は、１台の気化式加湿器によって１段目の加湿が行われる。なお、一般的な気化式加湿器の飽和効率は８０％程度までである。さらに、第２の加温加湿部において、加熱コイルによって加熱された空気は、２台の気化式加湿器によって２段目、３段目の加湿が行われる。これにより、３段目の加湿以降の空気の相対湿度を、１００％に近い一定の値とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の空気調和機の実施の形態を、図面に基づいて具体的に説明する。なお、図３で示した従来技術と同様の部材は同一の符号を付して、説明を省略する。
【００２１】
（１）実施の形態の構成
まず、本実施の形態の構成を、図１を参照して説明する。すなわち、ハウジング１の内部に、取入口側から、フィルタ２、冷却コイル３及び送風機６が配設されている。冷却コイル３と送風機６との間には、循環する温水によって空気を加熱する加熱コイル４０、空気の通過過程で水を気化させて加湿する気化式加湿器５０が配設されている。
【００２２】
加熱コイル４０は、上流側の前段コイル４１と、下流側の後段コイル４２の二つに分岐して設けられている。そして、前段コイル４１から後段コイル４２の順に温水が流れるように、両コイルは連通されている。但し、前段コイル４１及び後段コイル４２を流れる温水は、空気流に対して対向流となるように、それぞれの温水入口側は、風下に設定されている。
【００２３】
気化式加湿器５０は、前段コイル４１の下流側に配置された第１加湿器５１と、後段コイル４２の下流側に配置された第２加湿器５２及び第３加湿器５３の３段構成となっている。この気化式加湿器５０は、給水管５０ａからの水によって水を浸透させた加湿モジュール５０ｂに、空気を通過させて加湿を行うものである。なお、気化式加湿器５０は、それぞれ飽和効率８０％のものを用いる。
【００２４】
そして、加湿モジュール５０ｂから落下した余分な水は、下部に配置された水槽５０ｃに回収され、ポンプ５０ｄによって給水管５０ａに循環供給されるように、配管が接続されている。
【００２５】
冷却コイル３及び加熱コイル４０には、それぞれ冷水及び温水の流量を制御するバルブ７，８０が設けられている。また、加湿空気の供給口には、一つの温度センサ１１が取り付けられている。この温度センサ１１は、供給空気の乾球温度を検出する。そして、バルブ７，８及び温度センサ１１は、温度制御器１１´に接続され、この温度制御器１１´によって、供給空気の乾球温度が一定に維持されるように、冷却コイル３内の冷水及び加熱コイル４０への温水の量が制御される構成となっている。
【００２６】
（２）実施の形態の作用
以上のような構成を有する本実施の形態の作用を、室内側の温湿度を２４℃、５０％と設定し、図２の湿り空気線図を参照して、加温加湿時（主として冬季）と、冷却除湿時（主として夏季）に分けて説明する。なお、図２に示したＡｗ〜Ｇｗ、Ａｓ〜Ｂｓは、図１で示したＡ〜Ｇの位置における空気の状態に対応している。また、温度及び湿度等の具体的な値は例示であり、本発明がこれらの数値に限定されるものではない。また、ファンによる昇温とこれによる相対湿度低下は、理解を容易にするために、ここでは考えないものとする。
【００２７】
（２−１）加温加湿時
冬季のように空気の加温加湿が必要な場合には、送風機６及び気化式加湿器５０を作動させるとともに、加熱コイル４０のバルブ８０を開とする。すると、ハウジング１の空気取入口から外気が流入する（Ａ点）。流入した空気は、フィルタ２を介して塵埃が濾過された後、前段コイル４１によって加熱される（Ｃ点）。これにより、図２のＡｗとＣｗとを結ぶ実線で示すように、乾球温度が推移する。
【００２８】
前段コイル４１で加熱された空気は、第１加湿器５１による加湿が行われる（Ｄ点）。このとき、気化式加湿は温度低下を伴うので、図２のＣｗとＤｗとを結ぶ実線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。前段コイル４１で加湿された空気は、後段コイル４２によって加熱される（Ｅ点）。これにより、図２のＤｗとＥｗとを結ぶ実線で示すように、乾球温度が推移する。
【００２９】
後段コイル４２によって加熱された空気は、第２加湿器５２によって加湿され（Ｆ点）、さらに第３加湿器５３によって加湿されて（Ｇ点）、送風機６によって供給口から供給される。これにより、図２のＥｗ、Ｆｗ、Ｇｗを結ぶ実線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。
【００３０】
気化式加湿器５０は、それぞれ飽和効率８０％のものを用いているが、前段の加熱後に第１段の加湿を行ない、後段の加熱の後に第２及び第３の加湿を行うという過程を経るので、図１のＧ点における空気は、相対湿度が常にほぼ一定の１００％に近い値となる。ここで、飽和効率ηs は、入口空気乾球温度をｔ_１、入口空気湿球温度をｔ_1'、出口空気乾球温度をｔ_２とすると、以下の式１によって表される。
【００３１】
【数１】
ηｓ＝（ｔ_１−ｔ_２）／（ｔ_１−ｔ_１’) …式１
これを、図２に示した例で具体的な数値を当てはめて示すと、点Ｄ〜Ｆにおける出口空気乾球温度は、以下のように推移する。
【数２】
Ｄｗ：（２４−ｔ_２）／（２４−９．８）＝０．８ …式２
従って、点Ｃから点Ｄ、すなわちＣｗ→Ｄｗの過程で、ｔ_２＝１２．６４（℃）となる。
【数３】
Ｆｗ：（２０−ｔ_２）／（２０−１３）＝０．８ …式３
従って、点Ｅから点Ｆ、すなわちＥｗ→Ｆｗの過程で、ｔ_２＝１４．４（℃）となる。
【数４】
Ｇｗ：（１４．４−ｔ_２）／（１４．４−１３）＝０．８ …式４
従って、点Ｆから点Ｇ、すなわちＦｗ→Ｇｗの過程で、ｔ_２＝１３．２８（℃）となる。
【００３２】
以上のように、Ｃ点においては乾球温度２４℃、Ｄ点においては乾球温度１２．６４℃及び相対湿度７０％、Ｅ点においては乾球温度２０．０℃、Ｆ点においては乾球温度１４．４℃及び相対湿度８５％、Ｇ点においては乾球温度１３．２８℃及び相対湿度９８％となる。また、外気温湿度が高い場合は、Ｇ点は９８〜１００％となり、加湿時期においてはこの間に納まり供給口から排出される。
なお、加熱コイル４０における一段目の前段コイル４１で、温度を高くして加湿量を増加させることが、最終的に相対湿度を１００％に近づけるのに有効であり、このために温水をまず最初に前段コイル４１に供給している。
【００３３】
また、供給口における空気は、温度センサ１１による検出値に基づいて、温度制御器１１´がバルブ８０の開度を制御することによって、１３．３℃となるように調節される。より具体的には、上記の例で述べると、前段コイル４１に流入する温水の温度を３５℃〜３６℃程度とすることによって、前段コイル４１における熱交換後に後段コイル４２に流入する温水は３０℃〜２９℃程度となり、上記のような加熱が行われる。なお、上述の値は、加熱コイル４０における前段コイル４１、後段コイル４２の熱交換能力及び気化式加湿器５０の飽和効率によって変化するものであり、本発明がこれらの数値に限定されるものではない。
【００３４】
（２−２）冷却除湿時
次に、夏季などの空気の除湿が必要な場合には、送風機６を作動させるとともに、冷却コイル３のバルブ７を開とする。すると、ハウジング１の空気取入口から外気が流入する（Ａ点）。流入した空気は、フィルタ２を介して塵埃が濾過された後、冷却コイル３によって冷却され（Ｂ点）、送風機６によって供給口から供給される。これにより、図２のＡｓとＢｓとを結ぶ点線で示すように、乾球温度及び相対湿度が推移する。この場合には、図２に示すように、冷却コイル３による冷却のみによって、乾球温度１３．３℃及び相対湿度９５％程度を維持することができる。従って、供給口の冬季と夏季の相対湿度の変動は９５〜１００％であり、これは室内の設定温湿度２４℃、５０％においては、相対湿度の変化は±１％程度となり、高精度の恒温・恒湿を達成することができる。
【００３５】
（３）実施の形態の効果
以上のような本実施の形態の効果は、以下の通りである。すなわち、気化式加湿器５０による加湿を複数段に分けて行うことによって、相対湿度を１００％近くにまで高めることができるので、室内から発生する冷却顕熱負荷が大きい工場等において、最適の空気調和機を構成できる。
【００３６】
また、蒸気式加湿器において必要であった高温のエネルギーが不要となるので、ランニングコストを大幅に低減することができる。特に、半導体工場のように年間冷却負荷が多く本来再熱の不必要な恒温・恒湿室を達成するために、冷却除湿時において再熱する必要がなくなるので、より一層のコスト削減ができる。
【００３７】
また、気化式加湿器５０による加湿は、空気路全体に均一に加湿することができるため、局所的な加湿のためにムラが出易い蒸気式加湿に比べて、温湿度精度を向上させることができる。
また、運転の制御も、温度センサ１１によって検出された値のみに基づいて行うことができるので、制御構成が簡略化し、センサ数も少なくて済む。
【００３８】
（４）他の実施の形態
本発明は上記のような実施の形態に限定されるものではない。例えば、加熱コイルや気化式加湿器の能力、温水温度や室内温湿度、制御温湿度の精度により、さらに多段階あるいは５２，５３の加湿器を１つで行う方式が考えられる。
【００３９】
また、気化式加湿器５０への加湿水の補給は、必ずしも循環式とする必要はない。一般空調において気化式加湿を行う場合には、市水を利用して加湿量の２０〜３０％を連続排水しながら１パスで行うのが一般的である。また、冷却コイル３への冷水の供給源や加熱コイル４０への温水の供給源は、どのようなものであってもよい。冷凍機の排熱だけでなく、他の設備からの低温排熱によって加熱された温水を利用することにより、加熱エネルギー費をさらに削減することができる。
【００４０】
また、気化式加湿器５０は、蒸気式加湿器の場合に必要な蒸発吸収距離（図３に示すｍ又はｍ´で、加湿蒸気が充分に拡散されて障害物にあたっても凝縮しない距離）が不要なため、例えば、気化式加湿器５０の加湿モジュール５０ｂをそれぞれ横引出し式にすれば、空気流通方向のメンテナンススペースが不要となり、設置スペース長さを縮小することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、温湿度精度が高く、ランニングコストを低減することが可能で、また充分な加湿量を得られる空気調和機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気調和機の一つの実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の実施の形態による温度及び湿度制御の一例を示す湿り空気線図である。
【図３】従来の空気調和機の一例を示す構成図である。
【図４】図３の従来技術による温度及び湿度制御の一例を示す湿り空気線図である。
【符号の説明】
１…ハウジング
２…フィルタ
３…冷却コイル
４…加熱コイル
５…蒸気式加湿器
６…送風機
７，８，９，８０…バルブ
１０…温度及び湿度センサ
１０´…温湿度制御器
１１…温度センサ
１１´…温度制御器
４０…加熱コイル
４１…前段コイル
４２…後段コイル
５０…気化式加湿器
５０ａ…給水管
５０ｂ…加湿モジュール
５０ｃ…水槽
５０ｄ…ポンプ
５１…第１加湿器
５２…第２加湿器
５３…第３加湿器

Claims

空気取入口と空気供給口との間の空気流路に、冷水循環式の冷却コイル、温水循環式の加熱コイル及び気化式加湿器が設けられ、前記空気取入口から導入した空気の温度及び湿度を調整して前記空気供給口から供給する空気調和機において、
前記加熱コイルの風下に前記気化式加湿器が配設された加温加湿部が、空気の流通方向に複数段設けられ、
風上の加温加湿部における加熱コイルから、風下の加温加湿部における加熱コイルへと温水が供給可能に設けられ、
個々の加温加湿部における加熱コイルは、空気流に対して対向流となるように、温水の入り口側が風下に設けられていることを特徴とする空気調和機。