JP6370425B2 - 直膨コイルを使用した空気調和機 - Google Patents
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Description
従来、クリーンルームでは厳格な空調管理が要求されているが、通常、設定温度・湿度の許容範囲は、温度では±3℃以内、湿度では10%以内の制御が求められている。
ところで、水コイルを使用する空気調和機の熱媒は冷水、温水、蒸気などであり、直膨コイルの空気調和機における冷媒コイルの熱媒は冷媒であるが、以下に述べるように、それぞれに利点や欠点がある。
この場合の空気の状態変化を、図2の空気線図を参照して図1のシステムを説明すると、外気OAが図2でのA点の状態であると、水コイルaは冷凍機hやチラーから冷水(温水、蒸気)が供給されていて、バルブiを制御することにより、コイル出口空気温度を設定した露点温度、実際は、露点温度の設定値は余裕をみて目標絶対湿度より低い露点温度まで(図2の目標絶対湿度線以下)温度をさげ、B点に移行する。
その後、ボイラeにより高温の温水或いは蒸気をバルブdにより制御して再加熱コイルbに供給し、露点温度から加湿可能温度まで再熱し、空気温度を図2のC点まで上昇させる。更に、ボイラeからの蒸気を加湿器cから噴霧して、最終目標の湿度にして図2のD点まで上昇させている。
例えば、クリーンルームでの直膨コイル使用の基本的な空調システムは、図3に示すようなものであるが、図1の水コイルaの使用と異なるのは、水コイルaの変わりに、3台の直膨コイルg1,g2,g3を並列配置した構成で、下流に送風機(ファン)lを配置した構成である。直膨コイルで広範囲な空調制御が難しく、そこで、直膨コイルを3台並列にして、低負荷の場合は1台稼働にし、高負荷の場合には全台を稼働して、広範囲の空調制御を可能としている。
その後は、水コイルの空調機と同様に、ボイラeにより高温の温水或いは蒸気をバルブfにより制御して再加熱コイルbに供給し、露点温度から加湿可能温度まで再熱し、空気温度を図2のC点まで上昇させる。更に、ボイラeからの蒸気を加湿器cから噴霧して、最終目標の湿度にして図2のD点まで上昇させている。
また、(2)直膨コイル出口温度を目標露点温度以下にするため、常時すべての室外機が運転が必要となり、低負荷時はコイル出口空気温湿度は目標値よりもかなり低くなる。そのため、B→Cの再熱能力及びC→Dの加湿能力が大きくなる為、結果として、省エネルギー運転とならない。
更に、水コイルのための冷水をつくる熱源機が不要で省スペース化とし、ローテーション運転を可能として耐久性を向上させ、また、故障時のバックアップ運転が容易に対応でき、従来の冷水コイルや並列配置と同様に、広範囲での温度・湿度のきめ細かい制御が可能となり、高効率運転を実現し、恒温恒湿条件を満足できる空気調和機を提供しようとするものである。
請求項2の発明は、外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する2群の直膨コイル群を直列に配置し、上流の第1直膨コイル群はさらに複数並列に配列し、下流の第2直膨コイル群もさらに複数並列に配列した空気調和機において、前記第2直膨コイル群は独立して制御可能とし、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、前記第2直膨コイル群の下流の露点温度による制御系を併設して、
これらの制御系の信号を選択回路で比較して直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒を循環するように直膨コイルでの冷却温度を制御したことを特徴とする直膨コイルを使用した空気調和機。
請求項3の発明は、外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する2群の直膨コイル群を直列に配置し、上流の第1直膨コイル群はさらに複数並列に配列し、下流の第2直膨コイル群もさらに複数並列に配列した空気調和機において、前記第2直膨コイル群は独立して制御可能とし、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、前記空気調和機は前記第2直膨コイル群の下流に再熱コイルを有し、再熱コイルの下流の乾球温度による制御系を併設して、これらの制御系の信号を選択回路で比較して直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒を循環するように直膨コイルでの冷却温度を制御したことを特徴とする直膨コイルを使用した空気調和機である。
請求項4の発明は、請求項1乃至3に記載の直膨コイルを使用した空気調和機において、前記第2直膨コイル群は3台又は4台の直膨コイルを並列に配置したことを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1乃至3に記載の直膨コイルを使用した空気調和機において、給気を兼ねた送風機を前記第1直膨コイル群と前記第2直膨コイル群の間に配置したことを特徴とする。
また、(6)直膨コイルを使用した空気調和機は、従来の水コイル使用の空調機とは異なり、冷水による冷却が必要でなくなるため冷水をつくるための熱源機が不要となって、室外機設置スペースだけとなり、水コイルのための冷熱源の機械室が不要になる。
[実施例1]
図5は、実施例の直膨コイルを使用したクリーンルーム用の空気調和機1の全体系統図で、外気OA(図5で右側から)を導入し、まず、上流側に冷媒により冷却する第1直膨コイル群2を配置し、下流に第2直膨コイル群3を配置し、更に、その下流に再熱コイル4、及び第1加湿器51と第2加湿器52を配置している。なお、本実施例の空気調和機1はクリーンルームに用いるが、通常、室内には加熱機器等が存在して室内温度を上昇させるので、冷却機能を使用した場合で説明する。なお、本発明で「外気」とは、戸外の空気のみを意味するものではなく、空調を対象の空気調和機の外から取り入れる空気のことである。
前記第1直膨コイル群2は、3台の直膨コイルである直膨コイル21と直膨コイル22と直膨コイル23とを空気流に対して並列3段に配置したもので、この2台の直膨コイルにはそれぞれ膨張(制御)弁211(221,231)を介して圧縮器241と凝縮器243及びファン242等からなる室外機23に接続され、それぞれ独立して制御される。
これらの第1直膨コイル群2と第2直膨コイル群3の間には、空気OAを給気SAとして送風する送風機(ファン)7が配置され、この給気を兼ねた送風機7は第1直膨コイル群2の一部が運転停止しても、吸気した空気を攪拌し冷却を均一にして、下流の複数の第2直膨コイル群3に同じ状態の空調空気を均等に送風するものである。したがって、第2直膨コイル群3の直膨コイル31,32,33にほぼ同じような負荷がかかるので、運転に偏りがなく使用期間も長くでき、故障も少ない。なお、従来の送風機(ファン)7’の位置は、図5の点線で示すように、最下流に配置するのが普通で、これでは、第2直膨コイル群3の直膨コイル31,32,33には偏った空調空気が送られるいとう不都合があった。
第2直膨コイル群3の4台の直膨コイル31乃至33は独立して運転・制御され、第2直膨コイル群3の下流には 空調状態を微調整して目標の温度・湿度にするために、再熱コイル4及び第1加湿器51と第2加湿器52が配備される。
直膨コイル31で冷房を終えた冷媒は、圧縮器35、室外機371を構成する凝縮器37、室外機(ファン)371に接続され、圧縮器35で圧縮され温度上昇した冷媒は凝縮器37で排熱し、凝縮器37で排熱された冷媒は、膨張弁38(382,383)によって冷却され直膨コイル31に循環させ、送風機7からの攪拌された空気を冷房する。他の直膨コイル32、33も同様の構成であり、それぞれ独立して制御される。
また、圧縮器35の制御は、通常、室温センサ313で検知された温度値が設定温度になるように圧縮器の運転制御回路392によって制御するが、一方、圧力センサ311や温度センサ312は、圧縮器35の稼働により直膨コイル31の冷媒過熱度が一定の温度になるように、また、コイル冷凍域Y1以下にならいように制御をするためのものであり、特に、圧力センサ311は冷媒の直膨コイル31からの蒸発圧力を直接検出するもので、この値を中央制御装置39に入力し、中央制御装置39から選択回路391に、検出した直膨コイル31からの蒸発圧力値が、一定に制限するか、又は、コイル冷凍域Y1以下にならないように優先的に選択し、圧縮器の運転制御回路392に入力して圧縮器35の駆動を制御するようにしている。
以上の凍結回避以外に、直膨コイル31の蒸発圧力(蒸発温度)を制限する値を変更することで蒸発温度を常に一定以上に高く保つことで(図7の実線の冷凍サイクルを参照)高効率運転を可能としている。
また、コイル蒸発温度を制御できるので、非結露運転の要望がある空調の場合には、蒸発圧力(蒸発温度)を空気露点温度以上に保つ、すなわち、冷却する直膨コイル31の非結露運転も可能となる。
第2直膨コイル群3の下流には再熱コイル4や第1加湿器51及び第2加湿器52を配置するが、ボイラ6の水を加熱して温水或いは蒸気を作り、バルブ41を介して再熱コイル4に供給し加熱し、最終的に空調状態を微調整して目標の温度にする。
更に、ボイラ6の水を加熱した蒸気によって上流の第1加湿器51と制御弁(バルブ)511によって大まかな加湿を行い、下流の第2加湿器52と制御弁(バルブ)521とで最終的な目標湿度に供給空気SAを加湿する。
図6の空気線図で、外気OAはj点から第1直膨コイル群2でk点まで冷やされ、更に、第2直膨コイル群3でl点まで冷やされ、次に、再熱コイル4で室温にm点まで加熱される。なお、第1、第2加湿器51,52は冬季に稼働するので、第2直膨コイル群3等が稼働する冷房時には稼働しない。この空気線図で必要エネルギーは、A1である。
すなわち、従来の冷凍サイクルはV’→X→Y’→Z’→V’で、冷媒は圧縮器35で圧縮工程(V’)から、凝縮工程(X)で凝縮器37と室外機(ファン)371とで冷媒は排熱され、膨張工程(Y’)で圧力を減じて冷却され、この冷却された冷媒で直膨コイル31での冷媒工程(Z’)で空気を冷却し、温度が上昇した冷媒は圧縮器35に還流する。
実施例では、直膨コイル31からの蒸発圧力を直接検出して、この圧力センサ311で検知した蒸発圧力によって、圧縮器35の駆動を制御して、必要に応じて実線の冷凍サイクルの冷房工程(Z)に任意に変化することができるので、コイルの冷凍域Y1にならない範囲Y2で空気状態を目標に任意に変化することができ、かつ、従来では圧縮器35での圧縮開始点U’で設定されるが、実施例では圧縮開始点Uと任意変更できるので、不必要に飽和蒸気線を越える必要もなく、最小限の飽和蒸気線の超過値で効率よく冷凍サイクルを実行することが出来る。
このように、本実施例では直膨コイル31を組み込んだ冷凍サイクルにおいて、圧縮器35の能力の範囲内で直膨コイル31の蒸発圧力によって直膨コイル31の冷房を可変にできる。
運転実験例
設計風量:4000m3/h (外気取入量:20%)
給気目標:露点4.9℃DP及び3℃DP
コイル組み合わせ:直列・・・2列
段数・・・(風上側)室外機3台・3段
(風下側)室外機3台・3段
一般に、直膨コイルは、高温源と低温源の温度差が小さいほど理論上の効率は良くなるものであり、定格運転が効率がよい。
また、上述したように、本実施例の6台の直膨コイル21,22,23,31,32,33は、それぞれ温度制御が可能であり、小さな部屋であれば直膨コイル1台で十分であるが、大量の空気を空調するクリーンルームでは複数の直膨コイル群にすることで対処可能である。
同様に、さらに外気OAが下がった場合は一台運転に移行する。これにより冷凍機二台を停止させることが可能となる。外気OAがk点のエンタルピ以下に下がった場合には3台とも停止する。
凍結制限がかからない状態での運転では図8に示すように目標露点4.9℃DPに対して±0.5℃DPの高精度運転を実現している。凍結制限を加えた状態でも従来方式では不可能な低露点である目標露点3℃DPに対して±0.7℃DPの高精度制御を、凍結を回避して実現している。いずれも再加湿は実施せず省エネ運転を実現している。
直膨コイル31,32,33についても、直膨コイル21,22,23と同様に外気工ンタルピの低下により能力に余裕ができ、かつ冷凍機運転が最高効率点より下がった段階で順次停止してゆく。
冷凍機故障時のバックアップ運転についても休止冷凍機をただちに起動させることにより容易に実現する。
更に、外気OAがB領域よりも更に湿度が低いC領域の状態では、負荷が更に下がるので、6台のうちどれか2台を休ませることができ、本実施例では直膨コイル33,34をダンパ等で停止させることができる。
同様に、外気OAがD領域よりも更に湿度と温度が低いE領域の状態では、負荷も小さくなるので、6台のうちどれか4台を休ませることができ、本実施例では第2直膨コイル群3の直膨コイル31乃至34を停止させ、第1直膨コイル群2だけを稼働して、省エネを実現している。
先ず、湿度について説明すると、図10の上側(細線)は湿度の変化に関するグラフであり、空気調和機1への入口湿度:Vが90〜80%程度であって外気(入口)OAの状態がAからE領域に変化しても、直膨コイル群2,3をこれに対応した運転状態に切り換え、AからE領域に対応して直膨コイルの稼働台数を徐々に減らしていっても、出口湿度:Wは50〜60%を維持していることが判る。
このように、高温高湿のA領域以外では直膨コイルの1部を停止することができ、ローテンションを組めば効率的に直膨コイルや室外機等を休ませることができ、更に、計画的にローテーション運転を行って直膨コイルや室外機等の長寿命化を実現できる。
図11において、高温・高湿のA領域においては6台の全直膨コイルを稼働させるが、負荷が減少したC領域においては、各直膨コイル21,22,23,31,32,33,34は独立して制御可能であるので2台の直膨コイル及びこれらに付随する室外機等を休ませることができる。この場合、各直膨コイル21,22,23,31,32,33,34は独立して制御可能であるので、能力が同じ場合には2台の選択は任意であり、例えば、C領域運転1のように直膨コイル31,32を休ませることができ、また、C領域運転2のように直膨コイル33,34及びこれらに付随する室外機等を休ませることができ、次のC領域運転1と2を交互に稼働させるようにしてもよい。
同様に、図11のC領域運転1のように直膨コイル31,32を休ませている場合、図11の下段の(b)に示すように、直膨コイル33と34が故障或いは保守で停止せざるを得ない場合は、直膨コイル31、32、及び、直膨コイル21,22の4台を稼働させれば、通常通りの冷房能力を確保でき、また、図11の下段の(c)に示すように、直膨コイル21と22が故障或いは保守で停止せざるを得ない場合は、直膨コイル31乃至34の4台を稼働させれば、通常通りの冷房能力を確保できる。
このように、ローテーション運転で各直膨コイル群での効率を向上させるともに、前述したように各直膨コイル自体を細かく制御して効率のよい稼働が可能になるので、全体としてより効率的な運転が可能となる。
(1)圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって圧縮器の圧縮圧力を制御したので、直膨コイルにおいてもきめ細かな制御が可能となり、直膨コイルは間接的な熱の受け渡しがないため、直膨コイルのシステムの冷暖房効率は水コイルを上回り省エネ運転が可能となる。
(2)圧縮器の稼働にあたり、蒸発圧力の値によって圧縮器の圧縮圧力を制御する制御系の他に、室温の検知よる制御系を併設して、これらの制御系の信号を選択回路391で選択して圧縮圧力を制御し、かつ、直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒が循環するようにして直膨コイルでの冷却温度を制御したので、凍結事故を回避することができる。
(3)凍結回避以外に、直膨コイル31の蒸発圧力(蒸発温度)を制限する値を変更することで蒸発温度を常に一定以上に高く保つことで(図7の実線の冷凍サイクルを参照)高効率運転を可能となる。
(4)コイル蒸発温度を制御できるので、非結露運転の要望がある空調の場合には、蒸発圧力(蒸発温度)を空気露点温度以上に保つ、すなわち、冷却する直膨コイル31の非結露運転も可能となる。
(5)直列に直膨コイル群2、3を配置したことにより、各段での空気条件に応じて、冷凍機が最適の蒸発圧力運転を行うことにより、従来システムよりエネルギー成績係数が良く、直膨コイル出口空気温度の誤差が±0.6℃程度のため、再熱や加湿の使用エネルギーが少ない。なお、この装置では再熱コイルやヒートポンプ(冷媒)にも対応可能である。
(6)実施例の直膨コイルを使用した空気調和機は、従来の水コイル使用の空調機とは異なり、冷水による冷却が必要でなくなるため冷水をつくるための熱源機が不要となって、室外機設置スペースだけとなり、水コイルのための冷熱源の機械室が不要になる。
(8)しかも、複数の並列配置した直膨コイル群を2段に直列に配置して給気露点温度制御を行うので、上流の直膨コイル群で大まかな冷房制御を行った後、下流の直膨コイル群で温度・湿度をきめ細かく制御が可能で、かつ、広範囲の温度・湿度管理が可能であり、更に、風下に従来の水コイルの場合同様に再熱コイル・加湿器を設置し正確に恒温恒湿条件を満足する制御が可能となる。
(9)給気を兼ねた送風機7を第1直膨コイル群2と第2直膨コイル群3との間に配置したので、第1直膨コイル群2の一部が運転停止しても、吸気した空気を攪拌し冷却を均一にして、下流の複数の第2直膨コイル群3に同じ状態の空調空気を均等に送風することができ、第2直膨コイル群3の複数の直膨コイル31,32,33にほぼ同じような負荷がかかるので、運転に偏りがなく使用期間も長くでき、故障も少ない。
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の各実施例に限定されるものでないことは勿論である。
e・・ボイラ、f・・バルブ、g1,g2,g3・・直膨コイル、
h・・冷凍機、i・・バルブ、k1,k2,k3・・室外機、
l・・送風機(ファン)、
1・・空気調和機、
2・・第1の直膨コイル群、21,22,23・・直膨コイル、
211,221,231・・膨張(制御)弁、
23・・室外機、241・・圧縮器、242・・ファン、243・・凝縮器、
3・・第2の直膨コイル群、31,32,33,34・・直膨コイル、
311・・圧力センサ、312・・温度センサ、313・・室温センサ
35・・圧縮器、36・・三方弁、
37・・凝縮器、371・・室外機(ファン)、
38,382,383・・膨張弁、
39・・中央制御装置、391・・選択回路、392・・運転制御回路、
393・・演算制御回路、
4・・再熱コイル、41・・制御弁(バルブ)、
51・・第1加湿器、511・・制御弁(バルブ)、
52・・第2加湿器、521・・制御弁(バルブ)、
6・・ボイラ、
7,7’・・送風機(ファン)
Claims (5)
- 外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する2群の直膨コイルを直列に配置し、上流の第1直膨コイル群はさらに複数並列に配列し、下流の第2直膨コイル群もさらに複数並列に配列した空気調和機において、
前記第2直膨コイル群は独立して制御可能とし、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって、直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、
室温の検知による制御系を併設して、
これらの制御系の信号を選択回路で比較して直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒を循環するように直膨コイルでの冷却温度を制御したことを特徴とする直膨コイルを使用した空気調和機。 - 外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する2群の直膨コイル群を直列に配置し、上流の第1直膨コイル群はさらに複数並列に配列し、下流の第2直膨コイル群もさらに複数並列に配列した空気調和機において、
前記第2直膨コイル群は独立して制御可能とし、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、
前記第2直膨コイル群の下流の露点温度による制御系を併設して、
これらの制御系の信号を選択回路で比較して直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒を循環するように直膨コイルでの冷却温度を制御したことを特徴とする直膨コイルを使用した空気調和機。 - 外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する2群の直膨コイル群を直列に配置し、上流の第1直膨コイル群はさらに複数並列に配列し、下流の第2直膨コイル群もさらに複数並列に配列した空気調和機において、
前記第2直膨コイル群は独立して制御可能とし、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その検知した蒸発圧力の値によって直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、
前記空気調和機は前記第2直膨コイル群の下流に再熱コイルを有し、
再熱コイルの下流の乾球温度による制御系を併設して、
これらの制御系の信号を選択回路で比較して直膨コイルは常に非凍結域以上で冷媒を循環するように直膨コイルでの冷却温度を制御したことを特徴とする直膨コイルを使用した空気調和機。 - 第2直膨コイル群は3台又は4台の直膨コイルを並列に配置したことを特徴する請求項1乃至3に記載の直膨コイルを使用した空気調和機。
- 給気を兼ねた送風機を前記第1直膨コイル群と前記第2直膨コイル群の間に配置したことを特徴する請求項1乃至4に記載の直膨コイルを使用した空気調和機。
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