JP6958514B2 - 水加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、水加湿装置に関する。

加湿方式として、水を１００℃以上の蒸気にして噴霧する蒸気加湿と、水噴霧式や気化式のように水を常温のまま気流と熱交換させて加湿する水加湿とが知られている。

特許文献１には、室内の還気および外気を導入し、水加湿器により水加湿した後、さらに蒸気加湿器により蒸気加湿を行い、これによって得られた室給気を室内に送り込む加湿装置が開示されている。

また、特許文献２には、スプレー式加湿器、冷却コイル、加熱コイルを備え、これらにより空気を加熱および加湿して調温調湿し、得られた室給気を室内に送り込む水加湿装置が開示されている。

尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開平１０−３１８５７１号公報 特開平２−５７８４４号公報 実開平４−１２５１３２号公報 特開平８−８２４３２号公報

特許文献１の加湿装置では、蒸気加湿器を使用するため省エネルギー化が十分とは言えない。また、特許文献２の水加湿装置でも、加熱と加湿により空気を温めて冷やすため省エネルギー化が十分とは言えない。省エネルギーを図るために、室内排熱を活用する水加湿装置は有効な手段である。しかし、次のような課題もある。

図５は、水加湿装置の課題について説明するための空気線図である。図５において、縦軸は絶対湿度を、横軸は乾球温度を示している。曲線５１は飽和曲線（相対湿度１００％）を示している。斜線５２は所定の比エンタルピー（斜線上で同一エンタルピー）を示している。斜線５３も同様である。水加湿の場合、実用上、潜熱と顕熱の授受は等しいと考えて差し支えない（エンタルピーの増減がない断熱変化）ため、空気状態はエンタルピー一定の線上を変化する（斜線５２、斜線５３）。

現在の空気状態が点５５で表される場合、水加湿により目標露点温度５６の空気状態に到達することができる。しかし、空調設備が夜間に停止し朝に稼働を開始した時など空気状態が点５７で表される低温湿度である場合、水加湿により到達できるのは点５８で表される空気状態であり、目標露点温度５６の空気状態に到達することはできない。

このように排熱による水加湿制御では、工場の立下げ／立上げ、工場の稼働率、実運用での風量の絞り等の要因の影響を受け熱不足が発生することがある。熱不足により湿度が目標値に上がらないために、水加湿装置による噴霧量が最大出力まで上昇し、省エネルギーを図れないばかりか加湿している箇所を濡らしてしまう過剰噴霧が生じる問題があった。このような過剰噴霧は、噴霧量は足りているにも関わらず他の条件が揃わないため目標露点温度を満たせない状態で生じ、このような制御状態を回避することが望まれる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水加湿において過剰噴霧を回避し、省エネルギーを図りつつ加湿による濡れを抑制できる水加湿装置を提供することを目的とする。

上記目的の達成のため、本発明に係る水加湿装置は以下のように構成される。水加湿装置は、空気調和機と、露点温度計と、制御装置とを備える。

空気調和機は、部屋からの還気を含む加湿対象空気を導入し、水供給量を任意に調節可能な加湿器により加湿対象空気を水加湿した後、室給気として部屋へ送り出す。

露点温度計は、室給気の露点温度を計測する。

制御装置は、予め定められた目標露点温度を設定露点温度の初期値とし、露点温度計により計測される室給気の露点温度が設定露点温度に一致するように、加湿器の水供給量を調節する。さらに、制御装置は、制御周期毎に、空気調和機の能力不足および加湿対象空気のエンタルピー不足で加湿対象空気を水加湿しても目標露点温度を達成できない場合に、設定露点温度を加湿対象空気が到達可能な上限の露点温度に変更する。

１つの好ましい態様では、水加湿装置は、空気調和機へ導入される加湿対象空気の湿球温度を計測する湿球温度計をさらに備える。空気調和機は、熱交換器をさらに備える。加湿器は、熱交換器の上流において加湿対象空気に水を噴霧可能に配置される。制御装置は、制御周期毎に、湿球温度計により計測された現湿球温度が目標露点温度よりも低い場合に、設定露点温度を現湿球温度よりも低く再設定する。

他の１つの好ましい態様では、水加湿装置は、空気調和機から送り出された室給気の乾球温度を計測する乾球温度計をさらに備える。空気調和機は、熱交換器をさらに備える。加湿器は、熱交換器の下流において加湿対象空気に水を噴霧可能に配置される。制御装置は、制御周期毎に、乾球温度計により計測された現乾球温度が目標露点温度よりも低い場合に、設定露点温度を現乾球温度よりも低く再設定する。

本発明に係る水加湿装置によれば、部屋の排熱により加湿対象空気のエンタルピーが高まって目標露点温度を達成できるようになるまでの間、一時的に設定露点温度を制限することで過剰噴霧を回避できる。そのため、水加湿において省エネルギーを図りつつ、加湿による濡れを抑制できる。

本発明の実施の形態１に係る水加湿装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る水加湿装置の制御について説明するための空気線図である。 本発明の実施の形態２に係る水加湿装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る水加湿装置の制御について説明するための空気線図である。 水加湿装置の課題について説明するための空気線図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１、２を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る水加湿装置の構成図である。水加湿装置１は、空気調和機（ＡＨＵ：Ａｉｒ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２、制御装置３、露点温度計４、湿球温度計５を備える。

空気調和機２は、部屋（図示省略）からの還気ＲＡを導入する還気ダクト、外気ＯＡを導入する外気ダクト（図示省略）、室給気ＳＡを部屋へ送り出す給気ダクト（図示省略）に接続している。

空気調和機２は、フィルター２２、熱交換器２３、送風機２４を備えた既設の空気調和機に、加湿器２１を追加する改修がなされて構成されている。

加湿器２１の噴霧ノズルは、フィルター２２の上流において加湿対象空気（還気ＲＡと外気ＯＡとの混気）に水を噴霧可能に配置されている。加湿器２１は、制御装置３からの信号に応じて噴霧ノズルから噴霧される水の供給量を任意に調節可能である。

熱交換器２３は、フィルター２２の下流に配置されている。熱交換器２３は、通過する空気を加熱可能な加熱コイル２３１と、通過する空気を冷却可能な冷却コイル２３２を備える。本実施形態の説明では熱交換器２３は稼働していないものとして説明する。

送風機２４は、熱交換器２３の下流に配置され、室給気ＳＡをダクトへ送り出す。

空気調和機２に導入された外気ＯＡと部屋からの還気ＲＡとの混気（加湿対象空気）は、加湿器２１により水加湿される。水加湿された空気はフィルター２２、熱交換器２３を通過して、室給気ＳＡとして送風機２４により部屋へ送り出される。

上述のように構成された空気調和機２は、一般的に次のような長所と短所を有する。
長所：室内負荷が足りている場合や、外気ＯＡの一次処理（加熱）が可能な場合は飽和効率が低く濡れの心配が少ない。
短所：フィルター２２の手前が濡れる可能性がある。加湿後に冷却コイル２３２で除湿される恐れがある。室内負荷が少ない場合や外気ＯＡ量比率が高く、加熱コイル２３１で加熱が必要な場合に加湿しきれない場合がある。

露点温度計４は、空気調和機２から送り出される室給気（加湿後）の露点温度を計測する。湿球温度計５は、空気調和機２へ導入される加湿対象空気（加湿前）の湿球温度を計測する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る水加湿装置１の制御について説明するための空気線図である。図２において、縦軸は絶対湿度を、横軸は乾球温度を示している。曲線３１は飽和曲線（相対湿度１００％）を示している。斜線３２は所定の比エンタルピー（斜線上で同一エンタルピー）を示している。斜線３３も同様である。

制御装置３は、予め定められた目標露点温度を設定露点温度の初期値とし、露点温度計４により計測される室給気ＳＡの露点温度が設定露点温度に一致するように、加湿器２１の水供給量を調節する。

点３５は、現在の空気状態を表している。例えば水加湿装置１が夜間に停止し朝に稼働を開始した時などに点３５で表される低温湿度の空気状態になりうる。この場合、空気のエンタルピーが不足しているため、水加湿によって目標露点温度３４の空気状態に到達することはできない。それにもかかわらず、上述のように目標露点温度３４が設定露点温度として設定されていれば、制御装置３は、水加湿以外の原因で目標露点温度３４の空気状態に到達できないにも関わらず、最大の噴霧量で噴射を継続してしまう。

このような過剰噴霧を回避し、エネルギーロスおよび空気調和機２内の濡れを抑制する必要がある。そこで、本実施形態の制御装置３では、制御周期毎に、空気調和機２の能力不足および加湿対象空気のエンタルピー不足で加湿対象空気を水加湿しても目標露点温度３４を達成できない場合に、設定露点温度を加湿対象空気が到達可能な上限の露点温度に変更することとした。ここで、空気調和機２の能力不足の原因には、熱交換器２３の加熱・冷却能力や、加湿器２１のノズルの配置が含まれる。

具体的には、制御装置３は、制御周期毎に、湿球温度計５により計測された現湿球温度が目標露点温度３４よりも低い場合に、設定露点温度を現湿球温度よりも低く再設定する。

再設定された上限の設定露点温度は次式（１）で表される。
ＳＡ＿ＤＰ＿ＳＰｍａｘ＝ＲＡ＿ＷＢ＿ＰＶ−ΔｔＡ ・・・（１）
ここで、
ＳＡ＿ＤＰ＿ＳＰｍａｘ ： 設定露点温度
ＲＡ＿ＷＢ＿ＰＶ ： 湿球温度計５による計測された湿球温度
ΔｔＡ ： 正の任意値（例えば、１度未満〜数℃程度）

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る水加湿装置１によれば、部屋の排熱により加湿対象空気のエンタルピーが高まって目標露点温度を達成できるようになるまでの間、一時的に設定露点温度を制限することで過剰噴霧を回避できる。そのため、水加湿において省エネルギーを図りつつ、加湿による濡れを抑制できる。

ところで、上述した実施の形態１の水加湿装置１において、目標露点温度は予め設定されている。例えば、目標露点温度は、定常運転時における安定した空気状態を想定して、オペレータまたは仕様により決定される。また、部屋にも加湿器を備える場合には、部屋の空気状態に応じたフィードバックに基づいて目標露点温度が決定されてもよい。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

実施の形態２．
次に、図３、図４を参照して本発明の実施の形態２について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る水加湿装置の構成図である。水加湿装置１ａは、空気調和機２ａ、制御装置３ａ、露点温度計４、乾球温度計６を備える。

空気調和機２ａは、部屋（図示省略）からの還気ＲＡを導入する還気ダクト、外気ＯＡを導入する外気ダクト（図示省略）、室給気ＳＡを部屋へ送り出す給気ダクト（図示省略）に接続している。

空気調和機２ａは、フィルター２２、熱交換器２３、送風機２４を備えた既設の空気調和機に、加湿器２５およびエリミネータ２６を追加する改修がなされて構成されている。

加湿器２５の噴霧ノズルは、熱交換器２３の下流において加湿対象空気に水を噴霧可能に配置されている。加湿器２５は、制御装置３ａからの信号に応じて噴霧ノズルから噴霧される水の供給量を任意に調節可能である。

エリミネータ２６は、加湿器２５の下流かつ送風機２４の上流に配置されている。

空気調和機２ａに導入された外気ＯＡと部屋からの還気ＲＡとの混気（加湿対象空気）は、フィルター２２、熱交換器２３を通過して、加湿器２５により水加湿される。水加湿された空気はエリミネータ２６を通過して、室給気ＳＡとして送風機２４により部屋へ送り出される。

上述のように構成された空気調和機２ａは、一般的に次のような長所と短所を有する。
長所：室内負荷が足りない場合でも、加熱コイル２３１での加熱ができ、加湿しきれない心配が少ない。
短所：エリミネータ２６の設置費用がかかる。エリミネータ２６が無い場合は二次側で結露する可能性がある。出口側は飽和効率が高く加湿がのりにくい。加熱コイル２３１の能力不足や加熱コイル２３１が無い場合、加湿性能が不足する場合がある。

乾球温度計６は、空気調和機２ａから送り出された室給気（加湿後）の乾球温度を計測する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る水加湿装置１ａの制御について説明するための空気線図である。図４において、縦軸は絶対湿度を、横軸は乾球温度を示している。曲線３１は飽和曲線（相対湿度１００％）を示している。斜線３２は所定の比エンタルピー（斜線上で同一エンタルピー）を示している。斜線３３も同様である。

制御装置３ａは、予め定められた目標露点温度を設定露点温度の初期値とし、露点温度計４により計測される室給気ＳＡの露点温度が設定露点温度に一致するように、加湿器２５の水供給量を調節する。

点３５ａは、現在の空気状態を表している。例えば水加湿装置１が夜間に停止し朝に稼働を開始した時などに点３５ａのような低温湿度の空気状態になりうる。この場合、空気のエンタルピーが不足しているため、水加湿によって目標露点温度３４の空気状態に到達することはできない。それにもかかわらず、上述のように目標露点温度３４が設定露点温度として設定されていれば、制御装置３ａは、水加湿以外の原因で目標露点温度３４の空気状態に到達できないにも関わらず、最大の噴霧量で噴射を継続してしまう。

このような過剰噴霧によるエネルギーロスおよび空気調和機２ａ内の濡れを抑制する必要がある。そこで、本実施形態の制御装置３ａでは、制御周期毎に、乾球温度計６により計測された現乾球温度が目標露点温度３４よりも低い場合に、設定露点温度を現乾球温度よりも低く再設定することとした。

再設定された上限の設定露点温度は次式（２）で表される。
ＳＡ＿ＤＰ＿ＳＰｍａｘ＝ＳＡ＿Ｔ＿ＰＶ−ΔｔＢ ・・・（２）
ここで、
ＳＡ＿ＤＰ＿ＳＰｍａｘ ： 設定露点温度
ＳＡ＿Ｔ＿ＰＶ ： 乾球温度計６により計測された乾球温度
ΔｔＢ ： 正の任意値（例えば、１度未満〜数℃程度）

以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る水加湿装置１ａによれば、上述した実施の形態１の水加湿装置１と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１、１ａ 水加湿装置
２、２ａ 空気調和機
３、３ａ 制御装置
４ 露点温度計
５ 湿球温度計
６ 乾球温度計
２１、２５ 加湿器
２２ フィルター
２３ 熱交換器
２３１ 加熱コイル
２３２ 冷却コイル
２４ 送風機
２６ エリミネータ
３４、５６ 目標露点温度
ＯＡ 外気
ＲＡ 還気
ＳＡ 室給気

Claims (3)

1. 部屋からの還気を含む加湿対象空気を導入し、水供給量を任意に調節可能な加湿器により前記加湿対象空気を水加湿した後、室給気として前記部屋へ送り出す空気調和機と、
   前記室給気の露点温度を計測する露点温度計と、
   予め定められた目標露点温度を設定露点温度の初期値とし、前記室給気の露点温度が前記設定露点温度に一致するように、前記加湿器の水供給量を調節する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、制御周期毎に、前記空気調和機の能力不足および前記加湿対象空気のエンタルピー不足で前記加湿対象空気を水加湿しても前記目標露点温度を達成できない場合に、前記設定露点温度を前記加湿対象空気が到達可能な上限の露点温度に変更すること、
   を特徴とする水加湿装置。
2. 前記空気調和機へ導入される前記加湿対象空気の湿球温度を計測する湿球温度計をさらに備え、
   前記空気調和機は、熱交換器をさらに備え、
   前記加湿器は、前記熱交換器の上流において前記加湿対象空気に水を噴霧可能に配置され、
   前記制御装置は、制御周期毎に、前記湿球温度計により計測された現湿球温度が前記目標露点温度よりも低い場合に、前記設定露点温度を前記現湿球温度よりも低く再設定すること、
   を特徴とする請求項１記載の水加湿装置。
3. 前記空気調和機から送り出された前記室給気の乾球温度を計測する乾球温度計をさらに備え、
   前記空気調和機は、熱交換器をさらに備え、
   前記加湿器は、前記熱交換器の下流において前記加湿対象空気に水を噴霧可能に配置され、
   前記制御装置は、制御周期毎に、前記乾球温度計により計測された現乾球温度が前記目標露点温度よりも低い場合に、前記設定露点温度を前記現乾球温度よりも低く再設定すること、
   を特徴とする請求項１記載の水加湿装置。

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