JP5147644B2 - 空気調和機の運転制御方法及び空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、空気調和機の運転制御方法に係り、特に、室内機の送風機や風路の結露を防止できる空気調和機の運転制御方法及び空気調和機に関する。

冷風を吹き出すことにより、室内の空気調和を行う空気調和機では、冷房運転や除湿運転時、吹き出される冷風によって吹出口周辺が冷却されたところに、室内空気が巻き込まれて触れることによって、冷やされ結露を生じ、そのまま長時間運転を続けると結露水が大きな水滴に成長し（露付き）、ついには落下してしまう（露垂れ）。あるいは、熱交換器が空気中の化学物質によって汚れ撥水化するためにうまく熱交換器上で除湿できずに、送風機等で結露してしまう。

これを防ぐために、風向偏向板を親水化して、露の成長を防ぐようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、風向偏向板と片側を断熱材で構成し、冷たい偏向板と暖かい室内空気が触れないようにしているものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、流入空気の温度と湿度を測定し、その露点を計算し、吹き出し空気の温度を測定し、先の露点が吹き出し空気の温度よりも高い場合には、熱交換器の冷却能力を下げるというものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平４−３４４０３２号公報 特開２００７−１８７４０５号公報 特開平１０−２３８８４１号公報

このように様々な結露防止方法が提案されているが、以下のような課題がある。特許文献１の例では親水化部位が次第に汚損され、露付きが再発してしまう課題があった。また、特許文献２の例では、断熱材の無い側において、一部の暖かい室内空気が触れ結露してしまう課題があった。さらに、特許文献３の例では高温多湿の日本の夏のような条件では、ほとんどの場合に熱交換器の冷却能力を下げざるを得ず非効率であった。すなわち、これまでの方法は、露ができること自体を解決することはできなかったか効率的な冷房運転ができなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、湿度が過飽和になる程度を下げることによりファン等の露付きを抑えることができる空気調和機の運転制御方法及び空気調和機を提供する。

この発明に係る空気調和機の運転制御方法は、吸込口、熱交換器、送風機、風路、吹出口を有する空気調和機の運転制御方法において、冷房運転時に、熱交換器を通過した空気の湿度を測定し、相対湿度が１００％を超えたときに冷房能力を下げるものである。

この発明に係る空気調和機の運転制御方法は、冷房運転時に、熱交換器を通過した空気の湿度を測定し、相対湿度が１００％を超えたときに冷房能力を下げることにより、冷房運転時に、熱交換器を通過した空気が過飽和湿度となり、熱交換器の下流側において、過飽和湿度空気が送風機、風路等と接触し、過飽和に相当する水蒸気がこれらの表面に結露したり霧となることを低減または防止することができる。

実施の形態１．
図１は一般的な空気調和機１００の縦断面図、図２は実施の形態１を示す図で、小風路１１の斜視図、図３は実施の形態１を示す図で、過飽和湿度センサ１０を用いて実際の空気調和機１００を運転したときの測定例を示す図である。

まず結露の仕組みについて、図１を用いて詳しく説明する。まず従来の説について説明する。代表的な空気調和機１００の冷房運転においては、まず熱交換器３に冷媒を通すことによって冷却する。つぎに送風機４を回転することによって室内空気を、吸込口１→プレフィルター２→熱交換器３→送風機４自身→風路８→吹出口７の順番で流す。風の向きを変えるために、吹出口７付近で、左右風向制御板５および上下風向制御板６の近傍を風が通過する。なお、熱交換器３、送風機４の形態は様々なものがある。また左右風向制御板５および上下風向制御板６は必ずしも必要ない。風路８は、風路材１８等で構成される。また、熱交換器３の下方に、熱交換器３のドレンを受けるドレンパン９が設けられる。

従来の結露の説においては、冷却した空気が吹出口７周辺の風路材や左右風向制御板５および上下風向制御板６をまず冷却し、ここに何らかの理由で暖かく湿度の高い室内空気が触れて、水蒸気が液体の水に変化するものである。場合によっては、室内空気が送風機４に触れることによって送風機４上にも結露するというものである。

あるいは、他の説によれば、熱交換器３が撥水化して、熱交換器３の表面に水が付着したままになり、通風抵抗が増加し、室内風量が低下する。そのため、室内の熱交換器３の蒸発温度が低下し、吹き出し温度を低下させることになり、空調条件によらず、霧の吹き出しや送風機４の結露等が生ずるというものである。これらの説では、送風機４の形態（クロスフローファン、プロペラファン、シロッコファンなど）や熱交換器３と送風機４の高さ方向の位置関係には依存しない。しかしながら我々は、室内空気の湿度が比較的低い場合においても、また、風の巻き込みを防いだ場合においても、あるいは、撥水化していない熱交換器３においても送風機４の羽・翼や風路材１８や左右風向制御板５および上下風向制御板６上に結露することを実験により見出した。

すなわち、何らかの原因で熱交換器３の温度の時間変化があるときや、熱交換器３に温度ムラが生じた場合に、除湿がされずに温度だけが下がる。そのため湿度が過飽和状態になることを見出した。過飽和状態というのは、その温度の飽和蒸気圧に相当する絶対湿度以上の水蒸気を空気が含む状態である。すなわち、過飽和状態を避けることができれば、結露を防ぐことができる。過飽和状態を避けるためには、必要以上に熱交換器３の温度を下げないことや空気の吸い込み速度を下げることが有効であることは容易に分かる。しかしながら、湿度が過飽和状態であることをモニターする手段が無く、結露を防ぐことができなかった。それは、湿度センサは種々のものが開発されているものの、いずれも相対湿度が９９％以下でしか機能せず、過飽和状態を測定できないためである。

そこで、過飽和湿度状態を容易・低コストで測定する方法をまず考えた。これはモニターすべき空気を小風路中に導き、飽和湿度以下になるように加熱し、そのときの温度と湿度を簡易・低コストのセンサーでモニターし、その温度、相対湿度、加熱していない空気の温度の３つの測定値から、加熱していない空気の湿度を計算して求めるというものである。このとき、加熱後の空気の絶対湿度や加熱前の飽和湿度を計算する必要があり、これらの計算式は湿り空気線図の近似式を用いるものが一般的である。計算手順を以下に示す。
（１）知りたい部位の温度を測定する。これをｔ１（セ氏温度、単位は℃）、Ｔ１（絶対温度、単位はＫ）とする。
（２）小風路中の空気を加熱し温度と相対湿度を測定する。温度はｔ２（セ氏温度、単位は℃）、Ｔ２（絶対温度、単位はＫ）、湿度はＵ２（単位は％）とする。
（３）Ｔ２における飽和水蒸気圧を計算により求める。これをＥＷ２とする。通常単位はＰａを用いる。
（４）Ｕ２より小風路中の水蒸気圧を計算で求める。これをＥ２とする。Ｅ２＝ＥＷ２＊Ｕ２／１００。
（５）小風路中の絶対湿度を計算で求める。これをＤ２とする。通常ｇ／ｍ^３の単位を用いる。Ｄ２＝０．００７９４＊Ｅ２／（１＋０．００３６６＊ｔ２）。
（６）知りたい部位の飽和水蒸気圧を計算で求める。これをＥＷ１とする。
（７）知りたい部位の飽和時の絶対湿度を求める。これをＤＷ１とする。ＤＷ１＝０．００７９４＊ＥＷ１／（１＋０．００３６６＊ｔ１）。
（８）最後に、知りたい部位の相対湿度を求める。これをＵ１とする。Ｕ１＝Ｄ２／ＤＷ１＊１００。

（３）、（６）で用いる式の例を示す。絶対温度Ｔにおける飽和水蒸気圧ＥＷは、
ＥＷ＝ｅｘｐ（−６０９６．９３８５／Ｔ＋２１．２４０９６４２−０．０２７１１１９３＊Ｔ＋０．００００１６７３９５２＊Ｔ＾２＋２．４３３５０２＊ｌｎ（Ｔ））。
ここで、ｘ＾ｙはｘのｙ乗を表す。

さて、この測定を実現させるためには、空気を加熱する必要がある。加熱に要するエネルギーを概算する（温度上昇による体積変化は無視する）。空気の定圧比熱Ｃｐは１．０１Ｊ／ｇ・℃。空気の比重ρは１．２４ｍｇ／ｃｍ^３。風速を１００ｃｍ／ｓとし、小風路の入口面積をＡｃｍ^２とすると小風路への流入空気体積速度Ｖは１００Ａｃｍ^３／ｓ。よって、流入空気を１℃上げるのに必要な仕事率Ｗ［Ｗ／℃］は、
Ｗ＝Ｖ＊ρ＊Ｃｐ＝１００Ａ＊０．００１２４＊１．０１＝０．１２５Ａ［Ｗ／℃］。
小風路の開口面積Ａが１ｃｍ^２、温度上昇が１０℃の場合、および、小風路の開口面積Ａが１ｍｍ^２、温度上昇が１０℃の場合には、必要な仕事率Ｗは、それぞれ１．２５Ｗ、１２．５ｍＷとなる。よって、小風路の大きさや必要な上昇温度にもよるが１０ｍＷ〜１００ｍＷレベルのヒーターおよび入力電力が必要である。

以下に実施例を示す。図２に示すような開口径３ｍｍφ、長さ１０ｍｍの円筒状の小風路１１を耐熱プラスチックを用いて作製した。開口面積は０．０７１ｃｍ^２である。よって、上記の条件において必要な仕事率は、８８ｍＷとなる。この中に規格値２００ｍＷのリング状薄膜型のヒーター１３を設置した。その風下側（空気出口１６側）にサーミスターを用いる温度センサ１４および静電容量型の湿度センサ１５を設置した。これらにより、Ｔ２、Ｕ２を測定する。また、ヒーター１３の風上側の空気取り込み口１２の外側に第２の温度センサ１４１を設置した。これにより、Ｔ１すなわち目的位置の温度を測定する。過飽和状態を破壊して結露させないために、風路の風上側は極力凹凸が無いことが望ましい。また、先端は薄くすることが望ましい。そのために、Ｔ１を測定する第２の温度センサ１４１は、風路の外部に設ける方が望ましい。ただし、風の流れを乱さない場合にはその限りではなく、風路内側に設けてもよい。ヒーター１３の設置も同様であり、風を乱さないように、風路内に出っ張らないような構造が必要である。薄膜型のヒーター１３や、風路材に埋め込む形が望ましい。温度センサ１４および湿度センサ１５も同様になるべく薄くて流線型のものが望ましい。

以降、風路（小風路１１）、加熱部（ヒーター１３）、２つの温度センサ（温度センサ１４、第２の温度センサ１４１）、１つの湿度センサ（湿度センサ１５）の組み合わせを過飽和湿度センサ１０とよぶ。

過飽和湿度センサ１０を用いて、実際の空気調和機１００を運転したときの測定例を図３に示す。結露が起きやすい環境を模擬した部屋で実際に結露を起こす場合を含めて数条件で測定した。

測定例１〜３は、Ｔ１を一定にして、Ｔ２を変えた場合の結果である。ｔ２が２０、２５、３０℃となるように、ヒーター入力電力を変えた。その結果、相対湿度Ｕ２は次第に減少するが湿度センサ１５の性能内であり問題なく測定できた。この結果より、測定場所の本来の相対湿度Ｕ１を計算するといずれの場合もほぼ約１２１％となり、過飽和状態であることが分かった。

結露が起きないときの測定例を測定例４に示す。測定例３とほぼ同じ条件であるが、このときはＵ１が約７７％であり過飽和になっていないことがわかった。

測定例５、６では、Ｔ１がそれぞれ０℃、−５℃と通常の湿度センサ１５では測定できないか誤差が大きくなる領域である。いずれの場合にも、湿度（Ｕ１）が１００％を超えており過飽和状態であることが分かった。ただし、−５℃（測定例６）の場合には、氷の蒸気圧を計算すべきであるが、水の計算式を代用した。−５℃の空気温度は通常の冷房用の空気調和機１００では起こらないが、冷凍庫用空気調和機などであり得る条件である。

このように、この湿度測定システムを用いることにより、湿度の過飽和状態を測定できることが分かった。実際に、過飽和状態が続くと、送風機４の羽や翼、左右風向制御板５および上下風向制御板６、吹出口７に結露を起こすことが確認された。そこで、熱交換器３の表面温度を上げたところ、熱交換器３通過直後の空気の湿度は下がりほぼ１００％となり、結露を防止することができた。また、送風機４の総風量を下げたところやはり空気の湿度は下がり、結露を防止することができた。

結露しやすい部位に加熱部をあらかじめ設け、過飽和湿度であることを検知した場合に加熱することにより、結露水を早く蒸発させるような間接的な対策を施してもよい。

いずれの制御法においても、過飽和の度合いが大きいほど対策量（冷却能力の下げ幅、風量の低下量、ヒーターによる加熱量など）を増加させるような制御を施すことでより効率的な結露対策ができる。

結露量と過飽和湿度の値の関係は、空気調和機１００の運転状況、空気調和機１００の構造、空気調和機１００の運転履歴、設置する部屋の空気質（温度、湿度）などに依存しするため一概に決められないが、冷房運転時において概ね１０５％を超えると結露量は目立つことが分かり、この値を目安に上記の運転制御することが望ましい。但し、冷房運転時に、過飽和湿度センサ１０により、熱交換器３を通過した空気の湿度を測定し、相対湿度が１００％を超えたときに冷房能力を下げる運転制御を行うことでもよい。

上記例では、小風路１１の空気取り込み口１２の外側にＴ１測定用の第２の温度センサ１４１を取り付けたが、空気取り込み口１２の近傍であれば独立して設置しても問題ない。また、温度センサ１４にサーミスタを用いたが、白金抵抗体や熱電対などを用いても問題ない。湿度センサ１５に静電容量型を用いたが、電気伝導型などを用いても問題ない。

上記例では、湿度の計算に近似式を用いた。近似式であるので、この計算式でなければならないというものではなく、一定の誤差範囲内で湿度を求める式は様々考えられるがいずれの式でも問題ない。

また、小風路１１中の加熱部（ヒーター１３）は一定の大きさを持つものであり、小風路１１中の温度センサ１４および湿度センサ１５の設置位置は、加熱部（ヒーター１３）の風下側に設置して、被測定空気の温度を上げた状態で、その温度と湿度を測定するものであるが、空気温度を上げることが必要なのであり、その最も風上側の部分に対して、風下側に温度センサ１４及び湿度センサ１５を設置すればよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、過飽和湿度を求めた。過飽和湿度の代わりに露点を求め、実際の温度と比較することで同様の効果を得ることができる。計算手順を以下に示す。
（１）知りたい部位の温度を測定する。これをｔ１（セ氏温度）、Ｔ１（絶対温度）とする。
（２）小風路中の空気を加熱し温度と相対湿度を測定する。温度はｔ２（セ氏温度、単位は℃）、Ｔ２（絶対温度、単位はＫ）、湿度はＵ２（単位は％）とする。
（３）Ｔ２における飽和水蒸気圧を計算により求める。これをＥＷ２とする。通常単位はＰａを用いる。
（４）Ｕ２より小風路中の水蒸気圧を計算で求める。これをＥ２とする。Ｅ２＝ＥＷ２＊Ｕ２／１００。
（５）小風路中の露点計算のための判定基準Ｙ２を計算で求める。Ｙ２＝ｌｎ（Ｅ２／６１１．２１３）。
（６）小風路中の露点ＴＤ２を計算で求める。Ｙ２＞＝０であれば、
ＴＤ２＝１３．７１５＊Ｙ２＋０．８４２６２＊Ｙ２＾２＋０．０１９０４８＊Ｙ２＾３＋０．００７８１５８＊Ｙ２＾４、
Ｙ２＜０であれば、ＴＤ２＝１３．７２０４＊Ｙ２＋０．７３６６３１＊Ｙ２＾２＋０．０３３２１３６＊Ｙ２＾３＋０．０００７７８５９１＊Ｙ２＾４、
である。ＴＤ２はほぼＴ１ポイントの露点でもあるので、ＴＤ２＞Ｔ１であれば、湿度が過飽和状態であることが分かる。

結露量と露点の関係は、空気調和機１００の運転状況、空気調和機１００の構造、空気調和機１００の運転履歴、設置する部屋の空気質などに依存しするため一概に決められないが、概ね露点がＴ１よりも１℃以上高くなると結露量は目立つことが分かり、この値を目安に熱交換器３の表面温度を上げたり、送風機４の総風量を下げるなどし、冷房能力を下げる運転制御することが望ましい。即ち、冷房能力を下げる手段の一つとして、「熱交換器の表面温度を上げる」手段がある。

上記例では、露点の計算に近似式を用いた。近似式であるので、この計算式でなければならないというものではなく、一定の誤差範囲内で露点を求める式は様々考えられるがいずれの式でも問題ない。

上記例では、熱交換器３と送風機４の間に過飽和湿度センサ１０を設置した。このポイントがベストであるが、送風機４の風下側においても、同様の制御によって風路８の結露量を減少させることができた。

実施の形態３．
図４、図５は実施の形態３を示す図で、図４は小風路１１の形態を示す斜視図、図５は板が３方（図５（ａ））もしくは１方（図５（ｂ））にある小風路１１のを示す図である。

小風路１１の形態は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように様々なものを用いることができる。とくに、空気出口１６側の口径を絞ることによって、空気流入速度を小さくして、必要なヒーター１３及びヒーター電力を小さくすることができる。円筒（図４（ａ）、（ｂ））に限らず多角形の筒（図４（ｄ））や、円錐を一部に持つもの（図４（ｃ））などもスムーズな流れを作るために有効である。

小風路１１（過飽和湿度センサ１０）は、熱交換器３の風下側に直接設置したり、送風機４の筐体に接続して、送風機４の風上側に設置してもよい。風路８に治具を用いて設置してもよい。

また、小風路１１は、空気取り込み口１２および空気出口１６以外は穴のない構造を示したが、風路内の温度が上がることが必要なのであって、穴がないことは必ずしも必要なく、例えば、穴の開いたものや網目状のもの、で作製しても良い。

あるいは、図５に示すように、板が３方（図５（ａ）、もしくは１方（図５（ｂ））にあるだけでもよい。これらの場合、風路は概ね板の近傍を意味する。この板を湿度センサ１５や加熱部（ヒーター１３）が兼ねていてもよい。

また、加熱部としては、電流を流すことによって熱が発生するもの、可視光や赤外線などの光を照射して熱が発生するもの（黒色物質など）などを用いることができる。光照射手段としては、赤外線ＬＥＤや白熱灯を用いることができる。

なお、第２の１４１が、過飽和湿度センサ１０の外部にない場合でも、温度センサ１４および湿度センサ１５の測定により、相対湿度が一定値例えば９０％以上を示した場合に、加熱して空気温度を上げ再度空気温度と湿度を測定し、加熱していないときの温度に対する相対湿度や露点を上記の方法により計算しても同様の効果を得られる。

一般的な空気調和機１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、小風路１１の斜視図。 実施の形態１を示す図で、過飽和湿度センサ１０を用いて実際の空気調和機１００を運転したときの測定例を示す図。 実施の形態３を示す図で、小風路１１の形態を示す斜視図。 実施の形態３を示す図で、板が３方（ａ）もしくは１方（ｂ）にある小風路１１を示す図。

符号の説明

１ 吸込口、２ プレフィルター、３ 熱交換器、４ 送風機、５ 左右風向制御板、６ 上下風向制御板、７ 吹出口、８ 風路、９ ドレンパン、１０ 過飽和湿度センサ、１１ 小風路、１２ 空気取り込み口、１３ ヒーター、１４ 温度センサ、１５ 湿度センサ、１６ 空気出口、１００ 空気調和機、１４１ 第２の温度センサ。

Claims (6)

1. 吸込口、熱交換器、送風機、風路、吹出口を有する空気調和機の冷房運転時に、前記熱交換器を通過した空気の湿度を測定し、相対湿度が１００％を超えたときに前記熱交換器の表面温度を上げることで冷房能力を下げる空気調和機の運転制御方法であって、
   前記空気調和機の内部であって前記送風機によって前記吸込口から吸い込まれて前記熱交換器を通過した空気の流れが通過する前記熱交換器の下流側の位置に配置され、前記空気の流れの一部の空気を取り入れる空気取り入れ口と、前記空気取り入れ口から流入した空気が流出する空気出口と、前記空気取り入れ口から流入した空気を前記空気出口へ略直進させる流路とを有する小風路を設け、
   前記小風路の前記流路を流れる空気を加熱する規格値１０ｍＷ〜１００ｍＷの加熱部を前記小風路中に設け、
   前記小風路中の前記加熱部の風下側における前記加熱部に加熱された空気の温度、湿度、前記空気取り入れ口近傍における前記加熱部に加熱されていない空気の温度の３つの測定値から、前記空気取り入れ口近傍における前記加熱部に加熱されていない空気の湿度または露点を計算により求め、湿度の過飽和の程度または露点と該空気取り入れ口近傍の温度との差により、前記熱交換器の冷房能力を下げる程度を制御することを特徴とする空気調和機の運転制御方法。
2. 前記小風路は、
   前記空気取り入れ口から前記空気出口までの長さが１０ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１記載の空気調和機の運転制御方法。
3. 前記小風路は、
   前記流路の途中から前記空気出口に向かうに従って断面積が次第に減少する絞り形状であることを特徴とする１または２のいずれかに記載の空気調和機の運転制御方法。
4. 吸込口、熱交換器、送風機、風路、吹出口を有する空気調和機において、
   前記空気調和機の内部であって前記送風機によって前記吸込口から吸い込まれて前記熱交換器を通過した空気の流れが通過する前記熱交換器の下流側の位置に配置され、前記空気の流れの一部の空気を取り入れる空気取り入れ口と、前記空気取り入れ口から流入した空気が流出する空気出口と、前記空気取り入れ口から流入した空気を前記空気出口へ略直進させる流路とを有する小風路と、
   前記小風路中に設けられ、前記小風路の前記流路を流れる空気を加熱する規格値１０ｍＷ〜１００ｍＷの加熱部と、
   前記小風路中の前記加熱部の風下側における前記加熱部によって加熱された空気の温度を検出する温度センサと、
   前記小風路中の前記加熱部の風下側における前記加熱部によって加熱された空気の湿度を検出する湿度センサと、
   前記空気取り入れ口近傍に配置され、前記空気取り入れ口近傍おける前記加熱部に加熱されていない空気の温度を検出する第２の温度センサと
   を備え、
   前記空気調和機は、
   前記温度センサと、前記湿度センサと、前記第２の温度センサとのそれぞれが検出した３つの測定値から、前記空気取り入れ口近傍における前記加熱部に加熱されていない空気の湿度または露点を計算により求め、湿度の過飽和の程度または露点と該空気取り入れ口近傍の温度との差により、前記熱交換器の冷房能力を下げる程度を制御することを特徴とする空気調和機。
5. 前記小風路は、
   前記空気取り入れ口から前記空気出口までの長さが１０ｍｍ程度であることを特徴とする請求項４記載の空気調和機。
6. 前記小風路は、
   前記流路の途中から前記空気出口に向かうに従って断面積が次第に減少する絞り形状であることを特徴とする４または５のいずれかに記載の空気調和機。

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