JP6082626B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、工場や広い場所などに好適に用いられる空調システムに関するものである。

工場内のスポット空調設備が特開２００８−１７５５０７号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１には、工場内に複数の室内機を設け、各室内機の吹出口付近に設けられた人感センサが人の存在を検知した場合に、室内機を運転させることが記載されている。また、特開平９−１７０７９６号公報（特許文献２）には、広い場所に人が点々と存在する場合に、その場所のみをスポット的に冷暖房することが記載されており、特にエアカーテンの冷暖気を吹き出すことが記載されている。

特開２００８−１７５５０７号公報 特開平９−１７０７９６号公報

ところで、家屋やビルなどの比較的狭い室内に適用される空調機においては、室内にて調和空気を循環させることで、空調設備の消費エネルギーを抑制している。しかし、工場などの広い場所においては、工場全領域を冷暖房することは、却って消費エネルギーを増大することになる。そこで、上述したように、スポット的に冷暖房している。特許文献１においては、必要なときに室内機を稼働することで、消費エネルギーを抑制しているが、改善の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、工場などの広い場所に適用する場合に、消費エネルギーをより抑制できる空調システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、調和空気の少なくとも一部を循環させることを思いつき、本発明を想到するに至った。
すなわち、本手段に係る空調システムは、建物内において複数のスポット的な部位の空調を行う空調システムであって、環状に形成され、空気が常時循環される循環ダクトと、循環ダクト内に設けられ、循環ダクト内の空気を常時循環させる送風機と、循環ダクト内に設けられ、通過する空気に対して調和処理を施す熱交換器と、循環ダクトからそれぞれ分岐して設けられ、循環ダクト内の調和空気を各スポット的な部位へ排出する複数の排出ダクトと、各排出ダクトに設けられ、排出ダクトからの調和空気の排出を許可する状態と規制する状態とを切り替える複数の弁と、各排出ダクトに設けられ、弁が許可する状態の場合に、循環ダクトから対応する排出ダクト側に分岐する調和空気の流量を設定する複数の流量調整弁と、循環ダクトに連通され、循環ダクトの外のうち空調を行うスポット的な部位とは異なる場所から空気を吸入する吸入ダクトとを備える。
吸入ダクトは、排出ダクトから調和空気が排出された場合に吸入ダクトから空気を吸入し、熱交換器は、吸入ダクトから空気が吸入された場合に循環ダクトを循環して戻ってきた調和空気と吸入ダクトから吸入された空気とが混合された空気に対して調和処理を施す。

本手段によれば、弁により調和空気の排出を規制する状態においては、循環ダクト内を調和空気が循環し続ける。ここで、吸入ダクトが循環ダクトに連通しているが、送風機の出力が一定の場合に、調和空気が排出ダクトから外へ排出されなければ、吸入ダクトから循環ダクト内へ新たな空気が流入しない。従って、熱交換器を通過する空気は、既に熱交換器によって調和された空気となる。そのため、熱交換器を通過する際に、熱交換器によるエネルギーをほとんど消費しない。このように、排出ダクトから調和空気を排出しない状態を継続する間、エネルギーはほとんど消費しない。

一方、弁により調和空気の排出を許可している場合には、循環ダクト内を循環する調和空気の一部が排出ダクトから排出され、調和空気の残りの一部が循環ダクトを循環する。排出ダクトから調和空気の一部が排出されることで、排出ダクト付近を確実に冷暖房できる。循環ダクトを循環する調和空気の残りの一部は、熱交換器を再び通過することになる。ここで、熱交換器を通過する空気量は、送風機の出力によって決定される。送風機の出力が一定であれば、排出ダクトから排出された調和空気に相当する量の新たな空気が、吸入ダクトから吸入される。従って、吸入ダクトから吸入された新たな空気と既に調和処理を施された調和空気との混合空気に対して熱交換器による調和処理が施される。このように、排出ダクトから排出した調和空気に相当する量の新たな空気に対して、熱交換器はエネルギーを消費することになる。従って、消費エネルギーを低減できる。
また、複数の排出ダクトを備えるようにすることで、スポット的に冷暖房効果を発揮できる場所を複数にすることができる。それぞれの排出ダクトに弁を設けることで、複数の排出ダクトのうち必要なダクトのみから調和空気を排出することができる。このように、消費エネルギーを必要な分だけにすることができる。

本手段の空調システムの好適な態様について以下に説明する。
吸入ダクトは、複数の排出ダクトから排出される調和空気の合計量に対応する量の非調和空気を吸入する。つまり、吸入ダクトから吸入される空気は、調和空気ではなく、非調和空気である。上述したように、熱交換器によって調和される空気には、吸入ダクトから吸入される非調和空気のみではなく、循環される調和空気が含まれる。従って、排出ダクトから調和空気が排出される場合に、吸入ダクトから非調和空気が吸入されるとしても、熱交換器を通過する空気の一部が非調和空気となるだけであるため、確実に熱交換器による消費エネルギーを低減できる。

また、吸入ダクトは、循環ダクトにおいて複数の排出ダクトのうち最も下流側に位置する排出ダクトと熱交換器の上流側との間に連通されるとよい。これにより、熱交換器によって調和された空気は、吸入ダクトから排出されることなく、排出ダクトから排出されるか、再び熱交換器の上流側へ循環される。従って、排出ダクト付近における冷暖房効果を確実に発揮しつつ、消費エネルギーを低減できる。

また、空調システムは、各排出ダクトの先端に設けられ、排出される調和空気をスポット的な部位を囲むようなカーテン状に形成する複数の排出フードをさらに備えてもよい。

吸入ダクトは、常時開放状態としてもよい。吸入ダクトを常時開放状態としても、上記作用効果を生じる。また、吸入ダクトを常時開放状態に設置することは、低コスト化につながる。

本発明の実施形態の空調システムであって、全ての排出ダクトにおける弁が開放状態である場合を示す。 本発明の実施形態の空調システムであって、全ての排出ダクトにおける弁が閉塞状態である場合を示す。 本発明の実施形態の空調システムであって、一部の排出ダクトにおける弁が開放状態である場合を示す。

（空調システムの構成）
本実施形態の空調システムの構成について図１を参照して説明する。空調システムは、例えば、工場などの広い場所に適用される。当該空調システムは、工場全体を空調するのではなく、工場における局所的（スポット的）な部位に調和空気を排出する。

空調システムは、図１に示すように、循環ダクト１１、吸入ダクト１２、排出ダクト１３〜１５、排出フード２１〜２３、室内機３０、室外機４０、冷媒配管４２、制御装置５０、温度センサ５１、弁６１〜６３、モータ７１〜７３、人感センサ８１〜８３および流量調整弁９１〜９３を備える。

循環ダクト１１は、環状に形成されており、工場の天井に設置される。図１において、循環ダクト１１は、上下方向（高さ方向）に循環するように示しているが、天井に沿って（水平に）循環するように設置している。循環ダクト１１は、内部を調和空気が流通する。そこで、循環ダクト１１は断熱材により形成され、内部を流通する調和空気の熱が循環ダクト１１の外部へ伝達されにくい。

吸入ダクト１２は、一端を常時開放状態とされ、他端を循環ダクト１１に連通される。つまり、吸入ダクト１２は、循環ダクト１１の外から空気を吸入し、吸入した空気を循環ダクト１１へ誘導する。吸入ダクト１２は、工場の外側に開口させてもよいし、工場の内側に開口させてもよい。ここで、工場全体が空調されているわけではないので、吸入ダクト１２から吸入される空気は、非調和空気となる。

排出ダクト１３〜１５は、それぞれ循環ダクト１１から分岐して設けられ、循環ダクト１１内の調和空気を循環ダクト１１の外へ排出する。排出ダクト１３〜１５は、工場内において調和空気を排出したい場所に設けられる。例えば、工場内において、作業者が作業する場所に調和空気を排出できるように、排出ダクト１３〜１５が設けられる。ここで、図１には、３つの排出ダクト１３〜１５を示すが、１つ、２つでもよいし、４つ以上とすることもできる。排出ダクト１３〜１５は、循環ダクト１１と同様に、断熱材により形成される。

排出フード２１〜２３は、排出ダクト１３〜１５のそれぞれの先端に一体的に設けられる。排出フード２１〜２３は、作業者による作業場所の上方に配置される。排出フード２１〜２３から排出される調和空気は、作業場所を囲むようなカーテン状に形成される。カーテン状の調和空気により囲まれた内側領域では、温湿度を所望値に保つことができる。

室内機３０は、循環ダクト１１内に設置される。室内機３０は、通過する空気に対して調和処理を施す熱交換器３１を備える。また、室内機３０は、循環ダクト１１内の空気を循環させる送風機３２を備える。送風機３２は、熱交換器３１の上流側に配置される。図１において、循環ダクト１１内の調和空気は、反時計回りに循環する。ここで、室内機３０は、循環ダクト１１と吸入ダクト１２との連通部位より僅かに下流側に設けられる。換言すると、吸入ダクト１２が、室内機３０の直ぐ上流側に連通される。つまり、吸入ダクト１２は、循環ダクト１１において排出ダクト１３〜１５と室内機３０の熱交換器３１の上流側との間に連通される。

室外機４０は、工場の屋外に設置する。図１においては、室外機４０は、工場の屋上に設置する。もちろん、室外機４０を地面や他の場所に設置してもよい。室外機４０は、熱交換器４１を備える。冷媒配管４２が、室内機３０の熱交換器３１と、室外機４０の熱交換器４１との間を循環する。これにより、室内機３０の熱交換器３１を通過する空気に対して調和処理を施すことができる。

温度センサ５１は、循環ダクト１１内であって、室内機３０より僅かに下流側に配置される。温度センサ５１は、通過する調和空気の温度を検知する。制御装置５０は、温度センサ５１の検出値に基づいて、調和空気の温度が所望値となるように、室内機３０および室外機４０を制御する。例えば、空調システムを冷房として機能させる場合に、調和空気の温度が所望値より高い場合には、制御装置５０は室内機３０および室外機４０を制御することによって冷却能力を高める。一方、調和空気の温度が所望値に一致する場合には、制御装置５０は、室内機３０および室外機４０は冷却能力を発揮させない。

また、温度センサ５１は、排出フード２１〜２３の下方、すなわち調和空気により囲まれた内側領域に配置してもよい。この場合、温度センサ５１は、作業領域の温度を直接検知している。従って、作業領域の温度が所望値になるように、室内機３０および室外機４０が制御される。また、温度センサ５１は、排出ダクト１３〜１５のそれぞれ、または、排出フード２１〜２３のそれぞれに配置してもよい。この場合、排出フード２１〜２３から排出される調和空気の温度が所望値になるように、室内機３０および室外機４０が制御される。

弁６１〜６３は、独立して駆動可能であって、排出ダクト１３〜１５のそれぞれに開閉可能に設けられる。弁６１〜６３は、循環ダクト１１から排出ダクト１３〜１５を通過して排出フード２１〜２３の外への調和空気の排出を許可する状態（以下、「許可状態」と称する）と、調和空気の排出を規制する状態（以下、「規制状態」と称する）とを切り替える。モータ７１〜７３は、弁６１〜６３のそれぞれを駆動し、許可状態と規制状態とを切り替える。

モータ７１〜７３は、人感センサ８１〜８３による検知に基づいて制御される。人感センサ８１〜８３は、排出フード２１〜２３のそれぞれに設けられ、排出フード２１〜２３の下方領域（作業者による作業場所）に人間が存在するか否かを検知する。人感センサ８１〜８３には、例えば、動作検知センサや、熱検知センサなどが適用される。そして、人感センサ８１〜８３によって人間を検知した場合に、対応するモータ７１〜７３が弁６１〜６３を規制状態から許可状態に切り替える。反対に、人間の存在を検知しなくなると、対応するモータ７１〜７３が弁６１〜６３を許可状態から規制状態に切り替える。

流量調整弁９１〜９３は、排出ダクト１３〜１５のそれぞれに設けられる。流量調整弁９１〜９３は、図１においては弁６１〜６３より上流側に設けられる場合を示しているが、弁６１〜６３の下流側に設けてもよい。流量調整弁９１〜９３は、通過する調和空気の流量を設定値とするように機能する。従って、弁６１〜６３が許可状態（開放状態）の場合に、循環ダクト１１から排出フード２１〜２３側へ分岐する調和空気の流量は、流量調整弁９１〜９３で設定された量となる。例えば、弁６１が許可状態（開放状態）の場合であっても、弁６１〜６３の全てが許可状態の場合であっても、排出フード２１から排出される調和空気の流量は流量調整弁９１により設定された流量となる。

ここで、流量調整弁９１〜９３の例として、定流量弁を用いることができる。この場合、定流量弁としての流量調整弁９１〜９３は、通過する調和空気の流量を一定値とするように機能する。従って、弁６１〜６３が許可状態（開放状態）の場合に、排出フード２１〜２３から排出される調和空気の量は、一定となる。なお、流量調整弁９１〜９３は、排出ダクト１３〜１５の他に、排出フード２１〜２３に設けてもよい。

（空調システムの動作）
次に、上述した空調システムの動作について図１〜図３を参照して説明する。ここで、図１〜図３において、矢印の幅は、通過する空気の流量に対応する。つまり、矢印の幅が大きいほど、通過する空気の流量が多いことを意味する。また、白抜き矢印は、調和空気を示し、黒矢印は、非調和空気を示し、斑矢印は調和空気と非調和空気の混合空気を示す。

以下に、作業場所全てに作業者が存在しない場合、工場内の３箇所の作業場所全てに作業者が存在している場合、１箇所の作業場所に作業者が存在している場合のそれぞれについて説明する。

まず、工場内の３箇所の作業場所全てに作業者が存在していない場合について、図２を参照して説明する。室内機３０および室外機４０が駆動されている。従って、送風機３２による出力に応じた量の空気が室内機３０の熱交換器３１を通過する。熱交換器３１を空気が通過することで、通過する空気が調和処理を施される。つまり、当該空気が冷房処理または暖房処理される。調和処理は、室内機３０の下流側に配置される温度センサ５１の温度が所望値となるように行われる。

ここで、図２においては、工場内の３箇所の作業場所全てに作業者が存在しないため、人感センサ８１〜８３が人間を検知しない。そうすると、弁６１〜６３が、循環ダクト１１内の調和空気を排出ダクト１３〜１５から排出させない状態（規制状態）となる。つまり、循環ダクト１１内の調和空気は、排出フード２１〜２３から外へ排出されることはない。

そうすると、循環ダクト１１内を流通する調和空気は、排出ダクト１３〜１５側へ分岐されることなく、そのまま循環ダクト１１内を流通し続ける。従って、室内機３０から下流側に送り出された調和空気の全てが、室内機３０の上流側に戻ってくる。

ここで、循環ダクト１１には、常時開放状態とされている吸入ダクト１２が連通している。しかし、送風機３２の出力が一定の場合に、循環ダクト１１内の調和空気が排出ダクト１３〜１５から外へ排出されなければ、吸入ダクト１２から循環ダクト１１内へ新たに空気が吸入することはない。そのため、室内機３０の熱交換器３１を再び通過する空気は、既に熱交換器３１によって調和処理を施された空気となる。従って、熱交換器３１を通過する際に、熱交換器３１によるエネルギーをほとんど消費しない。実際には、調和空気が循環ダクト１１を流通することによる熱損失の分、熱交換器３１によるエネルギーを消費することになる。このように、排出ダクト１３〜１５から調和空気を排出しない状態を継続する間、熱交換器３１によるエネルギーをほとんど消費しない。

次に、工場内の３箇所の作業場所全てに作業者が存在している場合について、図１を参照して説明する。この場合、人感センサ８１〜８３がそれぞれ人間を検知する。そうすると、弁６１〜６３が、循環ダクト１１内の調和空気を排出ダクト１３〜１５から排出させる状態（許可状態）となる。弁６１〜６３の切替動作は、モータ７１〜７３により行われる。

従って、室内機３０により調和処理を施された空気の一部は、第一の排出ダクト１３側へ分岐して排出フード２１から外へ排出される。これにより、調和空気が、排出フード２１の下方に存在する作業者の周囲を囲む。このとき、排出フード２１から排出される調和空気の量は、流量調整弁９１により設定された流量となる。

第一の排出ダクト１３側へ分岐せずに循環ダクト１１内に残った調和空気の一部は、下流側の第二の排出ダクト１４側へ分岐して排出フード２２から外へ排出される。これにより、調和空気が、排出フード２２の下方に存在する作業者の周囲を囲む。このとき、排出フード２２から排出される調和空気の量は、流量調整弁９２により設定された流量となる。

第二の排出ダクト１４側へ分岐せずに循環ダクト１１内に残った調和空気の一部は、下流側の第三の排出ダクト１５側へ分岐して排出フード２３から外へ排出される。これにより、調和空気が、排出フード２３の下方に存在する作業者の周囲を囲む。このとき、排出フード２３から排出される調和空気の量は、流量調整弁９３により設定された流量となる。第三の排出ダクト１５側へ分岐せずに循環ダクト１１内に残った調和空気の一部は、室内機３０の上流側に戻ってくる。

ここで、送風機３２の出力を一定にしていれば、送風機３２により送り出す空気量は、循環ダクト１１を通過して戻ってきた調和空気の量だけでは足りない。そのため、吸入ダクト１２から新たな非調和空気が、循環ダクト１１へ吸入される。従って、循環ダクト１１を通過して戻ってきた調和空気と、吸入ダクト１２から吸入された新たな非調和空気との混合空気が、室内機３０を通過する。

つまり、熱交換器３１による調和処理は、吸入ダクト１２から吸入された新たな非調和空気と既に調和処理を施された調和空気との混合空気に対して施される。このとき、熱交換器３１は、排出ダクト１３〜１５から排出した調和空気に相当する量の新たな空気に対して、エネルギーを消費することになる。従って、循環ダクト１１により調和空気を循環させることで、熱交換器３１による消費エネルギーを低減できる。

次に、１箇所の作業場所に作業者が存在している場合について、図３を参照して説明する。この場合、人感センサ８２が人間を検知するが、人感センサ８１，８３は人間を検知しない。そうすると、弁６２が許可状態（開放状態）となり、弁６１，６３が規制状態（閉塞状態）となる。

従って、室内機３０により調和処理を施された空気は、第一の排出ダクト１３側へ分岐することなく、循環ダクト１１を流通する。循環ダクト１１を流通する調和空気の一部は、第二の排出ダクト１４側へ分岐して排出フード２２から外へ排出される。これにより、調和空気が、排出フード２２の下方に存在する作業者の周囲を囲む。このとき、排出フード２２から排出される調和空気の量は、流量調整弁９２により設定された流量となる。残りの調和空気は、第三の排出ダクト１５側へ分岐されることなく、室内機３０の上流側に戻ってくる。

送風機３２の出力を一定にしていれば、第二の排出ダクト１４から排出された調和空気に相当する量の新たな非調和空気が、吸入ダクト１２から吸入される。吸入された新たな非調和空気と循環ダクト１１を循環してきた残りの調和空気との混合空気が、室内機３０を通過する。そして、混合空気に対して熱交換器３１による調和処理が施される。この場合の熱交換器３１の消費エネルギーは、図１の場合に比べて小さくなる。図３の場合における循環ダクト１１を循環してきた残りの調和空気の量が、図１の場合に比べて多いからである。

以上から分かるように、熱交換器３１による消費エネルギーは、排出ダクト１３〜１５から排出された調和空気の量に応じたものとなる。つまり、排出ダクト１３〜１５から調和空気が排出されなければ、消費エネルギーはほとんどゼロである。また、排出ダクト１３〜１５の一部から調和空気が排出されれば、排出された一部の調和空気の量に応じたエネルギーを消費する。従って、無駄なエネルギーを低減できる。

さらに、複数の排出ダクト１３〜１５を設け、それぞれに独立して駆動可能な弁６１〜６３を設けている。そして、人感センサ８１〜８３により人間を検知した場合に、排出ダクト１３〜１５から調和空気が排出される。従って、外へ排出する調和空気は、複数の作業場所の中で、作業者が存在している場所のみとなる。これにより、無駄なエネルギーを低減できる。

１１：循環ダクト、 １２：吸入ダクト、 １３〜１５：排出ダクト、 ３０：室内機、 ３１：熱交換器、 ３２：送風機、 ４０：室外機、 ５１：温度センサ、 ６１〜６３：弁、 ８１〜８３：人感センサ、 ９１〜９３：流量調整弁

Claims (5)

1. 建物内において複数のスポット的な部位の空調を行う空調システムであって、
   環状に形成され、空気が常時循環される循環ダクトと、
   前記循環ダクト内に設けられ、前記循環ダクト内の空気を常時循環させる送風機と、
   前記循環ダクト内に設けられ、通過する空気に対して調和処理を施す熱交換器と、
   前記循環ダクトからそれぞれ分岐して設けられ、前記循環ダクト内の調和空気を各前記スポット的な部位へ排出する複数の排出ダクトと、
   各前記排出ダクトに設けられ、前記排出ダクトからの前記調和空気の排出を許可する状態と規制する状態とを切り替える複数の弁と、
   各前記排出ダクトに設けられ、前記弁が許可する状態の場合に、前記循環ダクトから対応する前記排出ダクト側に分岐する前記調和空気の流量を設定する複数の流量調整弁と、
   前記循環ダクトに連通され、前記循環ダクトの外のうち空調を行う前記スポット的な部位とは異なる場所から空気を吸入する吸入ダクトと、
   を備え、
   前記吸入ダクトは、前記排出ダクトから前記調和空気が排出された場合に前記吸入ダクトから空気を吸入し、
   前記熱交換器は、前記吸入ダクトから空気が吸入された場合に前記循環ダクトを循環して戻ってきた調和空気と前記吸入ダクトから吸入された空気とが混合された空気に対して調和処理を施す、空調システム。
2. 前記吸入ダクトは、複数の前記排出ダクトから排出される調和空気の合計量に対応する量の非調和空気を吸入する、請求項１の空調システム。
3. 前記吸入ダクトは、前記循環ダクトにおいて複数の前記排出ダクトのうち最も下流側に位置する前記排出ダクトと前記熱交換器の上流側との間に連通される、請求項１または２の空調システム。
4. 前記空調システムは、各前記排出ダクトの先端に設けられ、排出される前記調和空気を前記スポット的な部位を囲むようなカーテン状に形成する複数の排出フードをさらに備える、請求項１〜３の何れか一項の空調システム。
5. 前記吸入ダクトは、常時開放状態である、請求項１〜４の何れか一項の空調システム。

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