JP6618388B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、恒温恒湿が求められるクリーンルームなどの室内の空調に好適な空調システムに関する。

従来、工業用クリーンルームの空調システムにおいては、熱源システムを用いて冷水・温水を製造し、配管システムにより外気処理空調機に冷水・温水を供給し、冷水・温水により外気の温度・湿度を制御し、これをクリーンルームに供給するようにしていた。

例えば、特許文献１（特開平０８−１１４３４７号公報）には、外気温度の低い冬期に冷却塔を冷熱源とすると共に、外気温度の高い夏期に冷凍機を冷熱源とする熱源システムが開示されている。
特開平０８−１１４３４７号公報

上記のような冷却塔や冷凍機を用いた熱源システムは高価であるために、クリーンルーム用の空調システムを構築するためには、相応のコストをかけざるを得なかった。

そこで、室外機と、この室外機から冷媒を得て、この冷媒により外気の温度調整を行い室内に導入する外気処理空調機とからなる、汎用のマルチ型空冷ヒートポンプパッケージを、クリーンルーム用の空調システムに転用することが考えられる。このような転用によれば、クリーンルーム用の空調システムのコストを大幅に抑制することが期待できる。

汎用のマルチ型空冷ヒートポンプパッケージを用いたクリーンルーム用空調システムでは、複数の室外機を用いることが多い。複数の室外機を用いるような場合、吸い込み外気の温湿度がゾーンの切替わり部で行き来すると、複数の室外機のうちの一部が、ハンチング運転となるため、前記ゾーンが変わった場合、ある程度時間をおいてから室外機のオンオフの制御をする対策を行う。

現状システムにおいては、室外機の運転状況を変更する判定のための閾値としてはエンタルピーを用いており、このエンタルピーの閾値は、固定値で与えられている。

しかしながら、前述のように、室外機の運転ゾーンの切替わり部で空気状態が行き来する場合、室外機のオンオフの制御の時間遅れをとっても頻度が減るだけで、ハンチングすることには変わりなく制御が乱れる要因が残されている、という問題があった。

また、現状システムにおいて、暖房低負荷ゾーン、冷房低負荷ゾーンでは、低負荷対応運転として、加熱コイルによる過加熱後に目標値に合わせるように冷却する制御を行っている。このような加熱コイルによる過加熱の加熱量についても、固定値で与えられている。

しかしながら、加熱コイルの過加熱量を固定値で与えてしまうと、外気条件により想定通りに制御できない場合がある、という問題もあった。

この発明は、上記のような問題を解決するものであって、本発明に係る空調システムは、第１冷暖同時型室外機と、第２冷暖同時型室外機と、前記第１冷暖同時型室外機で生成された冷媒の供給を受けて温度制御を行う第１系統の複数のコイルと、前記第２冷暖同時型室外機で生成された冷媒の供給を受けて温度制御を行う第２系統の複数のコイルと、前記複数のコイルで温度制御された空気が導入され、導入された空気を加湿する水膜加湿器と、前記複数のコイルで温度制御される前の空気の温度を検知する第１温度センサと、前記複数のコイルで温度制御される前の空気の湿度を検知する第１湿度センサと、前記第１温度センサで検知される温度、及び、前記第１湿度センサで検知される湿度に基づいて、前記第１冷暖同時型室外機の稼働及び停止を制御すると共に、及び前記第２冷暖同時型室外機の稼働及び停止を制御する主制御部と、を有し、前記主制御部は、前記第１温度センサで検知される温度、及び、前記第１湿度センサで検知される湿度からエンタルピーを算出し、算出されたエンタルピーに基づいて、前記第２冷暖同時型室外機を稼働し前記第１冷暖同時型室外機を停止する第１モードと、前記第１冷暖同時型室外機及び前記第２冷暖同時型室外機の双方を稼働する第２モードと、の切り換えを行うと共に、前記第１モードと、前記第２モードとを切り換えるためのエンタルピーの閾値を変更することを特徴とする。

本発明の空調システム１は、モード間の切り換えを行うためのエンタルピーの閾値を変更するので、このような本発明の空調システム１によれば、ハンチング運転となってしまう室外機を減少させることができ、安定した制御を行うことが可能となる。

また、本発明の空調システム１は、検知される温度が、所定時間以上目標温度より高いか低いかにより、加熱コイルの加熱量を制御するので、このような本発明の空調システム１によれば、外気条件によることなく、想定通りの制御を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る空調システム１の概要を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１による外気処理を空気線図によって説明する図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１における第１モード、第２モードの相違を説明する図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１におけるモード切り替え処理のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１における閾値変更処理のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１におけるモード切り替え処理、閾値変更処理の概念を説明する図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１における加熱量調整処理のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係る空調システム１における加熱量調整処理の概念を説明する図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る空調システム１の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る空調システム１の概要を模式的に示す図である。本発明に係る空調システム１は、特にクリーンルームに設けられ、クリーンルーム内に清浄で、温度及び湿度が調整された空気を供給することを想定している。

本発明に係る空調システム１は、汎用のマルチ型空冷ヒートポンプパッケージを基に、構成されている。マルチ型空冷ヒートポンプパッケージは、冷媒を作り出す室外機と、ケーシング内に納められているコイルを有する外気処理空調機１０と、前記冷媒を前記コイルに流す配管とから主に構成されているが、本発明に係る空調システム１では、このような構成を、少なくとも２系統以上設けるようにしている。なお、図面では、室外機やコイル、配管などは模式的に示されている。

ここで、本発明に係る空調システム１で用いる汎用のマルチ型空冷ヒートポンプパッケージの室外機としては、冷たい冷媒と温かい冷媒とを同時に生成することができる冷暖同時型の室外機を想定している。本発明に係る空調システム１では、第１冷暖同時型室外機５１と第２冷暖同時型室外機５２との少なくとも２系統の室外機を有している。なお、以下、２系統の室外機を備えた空調システム１を例に説明するが、系統数は２系統以上の任意の系統数とすることができる。

本発明に係る空調システム１では、冷暖切換型ではなく、冷暖同時型の室外機を用いるようにしている。このようにする理由は、外気処理空調機１０における運用として、冷却コイルと再熱コイルを同時に利用する運転パターンが多いため、熱源機側での排熱利用が可能となり省エネ運転となるからである。

空調システム１のケーシング１１内には、外気ＯＡが取り入れられ、温度湿度が調整され、給気ＳＡとして、不図示のクリーンルームに供給される。

ケーシング１１には、送風ファン２２を動作させることで、常に外気ＯＡを取り込み、クリーンルームに給気ＳＡとして供給することで、クリーンルーム内を常に正圧に維持するような運用がなされている。

ケーシング１１に取り込まれた空気は、プレフィルタ１３及び中性能フィルタ１４を流れることで、空気中の塵などが除去される。

第１冷暖同時型室外機５１は、指令された温度の冷媒を生成し、この冷媒を図示する配管を通して、ケーシング１１内の第１系統の複数のコイル６１に循環させている。本実施形態においては、第１列ａ，ｂのコイル、第３列ｂのコイルが、第１系統コイル６１である。

また、第２冷暖同時型室外機５２は、指令された温度の冷媒を生成し、この冷媒を図示する配管を通して、ケーシング１１内の第２系統の複数のコイル６２に循環させている。本実施形態においては、第１列ｃのコイル、第２列ａ、ｂのコイル、第３列ａのコイルが、第２系統コイル６２である。

なお、第１冷暖同時型室外機５１の系統のコイルを第何列のどのコイルとするか、或いは、第２冷暖同時型室外機５２の系統のコイルを第何列のどのコイルとするかなどは任意に設定することができ、本実施形態に限定されるものではない。

また、第何列のどのコイルを、どの系統の冷暖同時型室外機のコイルとするか、などは適宜設定することができる。さらに、本発明においては、冷暖同時型室外機の系統数は、２以上であれば任意とすることができる。

第１系統の複数のコイル６１のうち一部は空気の加熱を行う加熱コイルとして、また、その残りは空気の冷却を行う冷却コイルとして運用する。

また、同様に、第２系統の複数のコイル６２のうち一部は空気の加熱を行う加熱コイルとして、また、その残りは空気の冷却を行う冷却コイルとして運用する。

なお、本発明に係る空調システム１においては、保護制御のバックアップ運転を行う際に、同一の列内でコイルのバイパスを回避するために、第１列、第２列、第３列の中に、異なる冷媒系統の冷媒配管を平均的に配列させるコイル構造としている。これにより、保護制御のバックアップ運転時のコイルのバイパスエアを小さくすることができる。

第１列のコイル、第２列のコイルを通過した空気は温度調整され、さらに、水膜加湿器１７で湿度が制御され、第３列のコイルで再熱され、温度上昇され、ＨＥＰＡフィルタ２５を通過し、給気ＳＡとしてクリーンルームに供給される。

ケーシング１１内において、第１系統の複数のコイル６１、第２系統の複数のコイル６２に導入される前の空気の温度及び湿度（外気の温度及び湿度に等しい）は、それぞれ第１温度センサ７１、第１湿度センサ７２によって検知される。第１温度センサ７１、第１湿度センサ７２のそれぞれで検知された温度データ、湿度データは、主制御部３０に送信され、主制御部３０における制御のために利用される。

また、第１系統の複数のコイル６１、第２系統の複数のコイル６２で温度制御された後で、水膜加湿器１７に導入される前の空気の温度は、第２温度センサ８１によって検知される。第２温度センサ８１で検知された温度データは、主制御部３０に送信され、主制御部３０における制御のために利用される。

以上のように、構成される本発明に係る空調システム１によって、外気ＯＡが取り入れられ、給気ＳＡとして、クリーンルームに供給される際の、温度湿度の調整例について説明する。図２は本発明の実施形態に係る空調システム１による外気処理を空気線図によって示した図である。

図２において、（ａ）ゾーンは冷房高負荷ゾーンであり、第１冷暖同時型室外機５１及び第２冷暖同時型室外機５２を同時に稼働することを想定しているゾーンである。また、（ｂ）ゾーンは冷房高負荷ゾーンであり、第２冷暖同時型室外機５２のみを稼働することを想定している。また、（ｃ）ゾーンは冷房低負荷ゾーンであり、第２冷暖同時型室外機５２のみを稼働することを想定している。また、（ｄ）ゾーンは送風ゾーンであり、第１列コイル及び第２列コイルを稼働しないことを想定している。また、（ｅ）ゾーンは暖房低負荷ゾーンであり、第２冷暖同時型室外機５２のみを稼働することを想定している。また、（ｆ）ゾーンは暖房高負荷ゾーンであり、第２冷暖同時型室外機５２のみを稼働することを想定している。また、（ｇ）ゾーンは暖房高負荷ゾーンであり、第１冷暖同時型室外機５１及び第２冷暖同時型室外機５２を同時に稼働することを想定しているゾーンである。

なお、（ｃ）の冷房低負荷ゾーンおよび（ｅ）の暖房低負荷ゾーンでは、汎用空調機の最小能力での過剰能力を回避するために、一旦暖房してから 冷房することで能力を調整する制御方法を採用する。このような制御によれば、冷暖同時型室外機を用いる本発明に係る空調システム１においては、廃熱を利用することができ、エネルギーロスを抑制することができる。

本実施形態では、乾球温度及び絶対湿度が、図２に示す空気線図における点（５）の空気を給気ＳＡとしてクリーンルームに供給することを前提として、以下に説明する。また、点（１）の空気は、外気ＯＡの乾球温度及び絶対湿度を示している。

図２における点（１）乃至点（５）の乾球温度及び絶対湿度は、図１における（１）乃至（５）の場所における乾球温度及び絶対湿度と対応している。

（ｅ）の暖房低負荷ゾーンでは、乾球温度及び絶対湿度が点（１）である外気ＯＡは、第１列のコイル（加熱コイルとして利用されているコイル）で加熱されることにより、乾球温度及び絶対湿度が点（２）となる。次に、第２列のコイル（冷却コイルとして利用されているコイル）で冷却されることにより、目標湿球温度一定のライン上の点（３）に戻される。

続いて、水膜加湿器１７には、不図示の水供給部から滴下する水が常時供給される状態が維持されており、水膜加湿器１７を通過する点（３）の空気は、相対湿度略１００％の点（４）の空気とされる。続いて、第３列のコイル（再熱コイル）によって、乾球温度及び絶対湿度が点（５）の空気とされ、給気ＳＡとしてクリーンルームに供給される。

以上のように、本発明に係る空調システム１においては、図２に示す空気線図において、点（１）に示される乾球温度及び絶対湿度である外気ＯＡを、目標点である点（５）として調整して、クリーンルームに供給するようにしている。

主制御部３０は、本発明に係る空調システム１において、基本となる制御を司るものであり、マイクロコンピューターなどの情報処理装置を用いることができる。主制御部３０は、第１系統の複数のコイル６１及び第２系統コイルの複数のコイル６２の各コイルに冷媒を供給する際のバルブを制御する複数のコイル制御部４０を制御するように制御信号を送信するようになっている。また、主制御部３０は、第１冷暖同時型室外機５１や第２冷暖同時型室外機５２などに対して制御指令を出したり、これらの運転状態なども把握したりすることができるようになっている。

次に、以上のように構成される空調システム１における制御について説明する。本発明に係る空調システム１においては、第１モード及び第２モードの２つのモードを有している。

より具体的には、主制御部３０は、冷房高負荷ゾーンである（ｂ）ゾーンでは、第２冷暖同時型室外機５２のみを稼働し、第１冷暖同時型室外機５１を停止する第１モードで空調システム１を制御する。

また、主制御部３０は、冷房高負荷ゾーンである（ａ）ゾーンは冷房高負荷ゾーンでは、第１冷暖同時型室外機５１及び第２冷暖同時型室外機５２を同時に稼働する第２モードで空調システム１を制御する。

図３は本発明の実施形態に係る空調システム１における第１モード、第２モードの相違を説明する図である。なお、以下、このような第１モード、第２モードについては、冷房時を例に説明するが、同様の考え方は暖房時にも適用可能である。

本発明に係る空調システム１のように、第１冷暖同時型室外機５１及び第２冷暖同時型室外機５２の複数の室外機を用いるような場合、吸い込み外気の温湿度が、ゾーンの境界（（ａ）−（ｂ）間の境界）で行き来すると、複数の室外機のうちの一部が、ハンチング運転となる可能性が高い。

そこで、本発明に係る空調システム１では、ゾーン間の行き来の頻度が高い状況下においては、第１モードと、第２モードとを切り換えるためのエンタルピーの閾値を変更する制御を行う。

以下、本発明に係る空調システム１における冷房時における制御例について説明する。図４は本発明の実施形態に係る空調システム１におけるモード切り替え処理のフローチャートを示す図である。なお、フローチャートは、主制御部３０によって、所定の時間間隔で定期的に実行されることが想定される。

また、図６は、本発明の実施形態に係る空調システム１におけるモード切り替え処理、閾値変更処理の概念を説明する図である。

図４において、ステップＳ１００でモード切り替え処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１に進み、第１温度センサ７１により温度データを取得し、ステップＳ１０２で、第１湿度センサ７２により湿度データを取得する。

ステップＳ１０３では、第１温度センサ７１で取得された温度データ、及び、第１湿度センサ７２で取得された湿度データからエンタルピーを算出する。このようなエンタルピーの算出は、テーブルやマップ（いずれも不図示）を参照することで、行うことができる。

ステップＳ１０４では、算出されたエンタルピーを参照し、モードを切り換える際の判定条件である閾値を通過したか否かが判定される。ここで、このようなモード切り換えの際の閾値であるエンタルピーは、（ａ）ゾーンと（ｂ）ゾーンとの間の一点鎖線で示されるものである。なお、この一点鎖線で示される閾値はデフォルトに設定されているものであり、閾値は後述する変更処理により変更され得るものである。

ステップＳ１０４における判定の結果がＮＯであれば、ステップＳ１０９に進み処理を終了する。一方、ステップＳ１０４における判定の結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、算出したエンタルピーは、閾値の低い方から高い方へと、通過したのか否かが判定される。

ステップＳ１０５における判定がＹＥＳである場合には、ステップＳ１０６に進み、モードは（第１モード）から（第２モード）へと切り換えられる。

一方、ステップＳ１０５における判定がＮＯである場合には、ステップＳ１０８に進み、モードは（第２モード）から（第１モード）へと切り換えられる。

ステップＳ１０７では、モード切り替えの頻度を算出しておき、モード切り替えの頻度情報を記憶しておく。このモード切り替えの頻度情報は、モード切り替えの際のエンタルピーの閾値を変更するときに用いられる。ステップＳ１０９で、モード切り替え処理を終了する。

次に、上記のようなモード切り替え処理で利用されるエンタルピーの閾値を変更する処理について説明する。図５は本発明の実施形態に係る空調システム１における閾値変更処理のフローチャートを示す図である。

図５において、ステップＳ２００で、閾値変更処理が開始されると、続いて、ステップＳ２０１に進み、直近の時間幅において、モード切り替え頻度が所定値以上であるか否かが判定される。なお、前記の時間幅の長さについては適宜設定することができる。

ステップＳ２０１の判定がＮＯであれば、ステップＳ２０６に進み、モード切り替え処理のためのエンタルピーの閾値をデフォルト値に保持し、ステップＳ２０７に進み、閾値変更処理を終了する。

このようなフローチャートにおける処理の流れからも分かるように、モード切り替え頻度が高くないような場合には、モード切り替え処理のためのエンタルピーの閾値はデフォルトから変更されるものではない。

ステップＳ２０２では、空調システム１が第１モードの状態にある第１モード時間と、空調システム１が第２モードの状態にある第２モード時間とを比較し、続く、ステップＳ２０３で、（第１モード時間）＜（第２モード時間）であるか否かが判定される。

ステップＳ２０３における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ２０４に進み、閾値のエンタルピーをより低く設定する。このように、空調システム１が第２モードの状態にある時間が長い場合には、モード切り替えトリガーとなるエンタルピーを下げることで、ハンチングとなる可能性を低減させる。

一方、ステップＳ２０３における判定がＮＯであれば、ステップＳ２０５に進み、閾値のエンタルピーをより高く設定する。このように、空調システム１が第１モードの状態にある時間が長い場合には、モード切り替えトリガーとなるエンタルピーを上げることで、ハンチングとなる可能性を低減させる。

ステップＳ２０７では、閾値変更処理を終了する。

以上のように、本発明の空調システム１は、モード間の切り換えを行うためのエンタルピーの閾値を変更する処理を行うので、このような本発明の空調システム１によれば、ハンチング運転となってしまう室外機を減少させることができ、安定した制御を行うことが可能となる。

ところで、水膜加湿器１７の前段において、第１系統の複数のコイル６１及び第２系統コイルの複数のコイル６２のうち、加熱コイルとして用いているものがあるが、加熱コイルの過加熱量を固定値で与えてしまうと、外気条件により想定通りに制御できない場合がある。

そこで、本発明に係る空調システム１においては、以下のように加熱コイルとして用いられるコイルの加熱量を制御することでこれを解消するようにしている。

図７は本発明の実施形態に係る空調システム１における加熱量調整処理のフローチャートを示す図である。また、図８は本発明の実施形態に係る空調システム１における加熱量調整処理の概念を説明する図である。

図７において、ステップＳ３００で、加熱量調整処理が開始されると、続いて、ステップＳ３０１に進み、第２温度センサ８１により温度データを取得する。

続くステップＳ３０２では、第２温度センサ８１で取得された温度データが目標温度であるか否かが判定される。なお、このステップにおける目標温度は不感帯を有することが好ましい。

ステップＳ３０２における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ３０６に進み、加熱コイルの加熱量はそのままとする制御信号を出力し、ステップＳ３０８に進み処理を終了する。

一方、ステップＳ３０２における判定がＮＯであれば、ステップＳ３０３に進み、ステップＳ３０３で、予め設定されている所定時間が経過したか否かが判定される。

ステップＳ３０３における判定がＮＯであればステップＳ３０６に進み、加熱コイルの加熱量はそのままとする制御信号を出力し、ステップＳ３０８に進み処理を終了する。これに対して、ステップＳ３０３における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０４では、第２温度センサ８１で取得された温度データが目標温度より高いか否かを判定する。

ステップＳ３０４における判定がＹＥＳである場合には、加熱コイルによる過加熱量が大きく目標湿球温度より高い状態（図８（ｈ）参照）が継続しているものと判断し、ステップＳ３０５に進み、加熱コイルの加熱量を小さくする制御信号を出力する。

一方、ステップＳ３０４における判定がＮＯである場合には、加熱コイルによる過加熱量が小さく目標湿球温度より低い状態（図８（ｌ）参照）が継続しているものと判断し、ステップＳ３０７に進み、加熱コイルの加熱量を大きくする制御信号を出力する。

ステップＳ３０８で、加熱量調整処理を終了する。

以上のような本発明の空調システム１は、第２温度センサ８１で検知される湿球温度が、所定時間以上目標温度より高いか低いかにより、加熱コイルの加熱量を制御するので、このような本発明の空調システム１によれば、外気条件によることなく、想定通りの制御を行うことが可能となる。

１・・・空調システム
１０・・・外気処理空調機
１１・・・ケーシング
１３・・・プレフィルタ
１４・・・中性能フィルタ
１７・・・水膜加湿器
２０・・・再熱コイル
２２・・・送風ファン
２５・・・ＨＥＰＡフィルタ
３０・・・主制御部
３５・・・テーブル
４０・・・コイル制御部
５１・・・第１冷暖同時型室外機
５２・・・第２冷暖同時型室外機
６１・・・第１系統コイル
６２・・・第２系統コイル
７１・・・第１温度センサ
７２・・・第１湿度センサ
８１・・・第２温度センサ
８２・・・第２湿度センサ

Claims (1)

1. 第１冷暖同時型室外機と、
   第２冷暖同時型室外機と、
   前記第１冷暖同時型室外機で生成された冷媒の供給を受けて温度制御を行う第１系統の複数のコイルと、
   前記第２冷暖同時型室外機で生成された冷媒の供給を受けて温度制御を行う第２系統の複数のコイルと、
   前記複数のコイルで温度制御された空気が導入され、導入された空気を加湿する水膜加湿器と、
   前記複数のコイルで温度制御される前の空気の温度を検知する第１温度センサと、
   前記複数のコイルで温度制御される前の空気の湿度を検知する第１湿度センサと、
   前記第１温度センサで検知される温度、及び、前記第１湿度センサで検知される湿度に基づいて、
   前記第１冷暖同時型室外機の稼働及び停止を制御すると共に、及び前記第２冷暖同時型室外機の稼働及び停止を制御する主制御部と、を有し、
   前記主制御部は、
   前記第１温度センサで検知される温度、及び、前記第１湿度センサで検知される湿度からエンタルピーを算出し、算出されたエンタルピーに基づいて、
   前記第２冷暖同時型室外機を稼働し前記第１冷暖同時型室外機を停止する第１モードと、
   前記第１冷暖同時型室外機及び前記第２冷暖同時型室外機の双方を稼働する第２モードと、の切り換えを行うと共に、
   前記第１モードと、前記第２モードとを切り換えるためのエンタルピーの閾値を変更することを特徴とする空調システム。

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