JP7478437B2 - エア駆動式冷暖装置 - Google Patents
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Description
Wet Bulb Globe Temperature)にも表れているように、人が暑さを感じる要因として、湿度が大きく関わっていることが知られている。即ち、気温が低下したとしても、湿度が高いと人は蒸し暑く不快に感じるため、冷房においては除湿の重要性も高いといえる。
本発明のエア駆動式冷暖装置(以下、「冷暖装置」)は、その基本構成として、土台部材と、前記土台部材に立設されたフレーム部材とから成る架台を設け、前記架台に、外部からの熱媒体と循環液との熱交換を行う第一熱交換器と、前記循環液を送り出す循環液送出ポンプと、前記循環液と室内空気との熱交換を行う第二熱交換器と、前記第二熱交換器に密接して配設される送風ファンとを設けている。前記土台部材には、前記架台を移動可能とする複数のキャスター部材を取り付けることもできる。
前記第一熱交換器は、液体と液体との間で熱交換を行うものであり、前記外部の熱媒体を受け入れる供給口と、前記外部の熱媒体を排出する排出口とを備えている。その動作については、まず、冷水や温水等の外部の熱媒体を供給口から第一熱交換器内部の管部へ通水する。そして、第一熱交換器内の供給口側の管部と、前記第一配管側内部の流路との間で熱交換を行い、第一配管内の循環液を冷却或いは加温する。この第一熱交換器は、伝熱プレートを有するプレート式の水熱交換器とすることが好ましい。
前記第一配管及び第二配管と接続される循環液送出ポンプは、循環液を閉流路内で高速に循環させるためのポンプであり、そのモータ部は圧縮空気で駆動するエア式モータを採用している。前記エア式モータは、電源を必要とせず、循環液送出ポンプに空気配管を接続することで、工場等の施設で一般的に備えられているコンプレッサから供給される圧縮空気によって高速で動作させることができるものである。この圧縮空気は、空気配管に設けられたレギュレータにより適切な圧力に調整される。
前記第二配管及び第三配管と接続される第二熱交換器は、液体と空気との間で熱交換を行うものであり、循環液が管部内を循環する際に空気との間で熱交換を行い、施設内の空気を冷却或いは加温する。熱交換された循環液は第一熱交換器へ戻され、再び外部の熱媒体と熱交換されて第二熱交換器へ流入することで循環する。この第二熱交換器は、蛇行したコルゲートフィン式とし、管部を高圧に耐え得る構造の空気熱交換器とすることが好ましい。
一方、前記第二熱交換器の前方には送風ファンが配置されており、第二熱交換器で冷却或いは加温された空気を、送風ファンによって作業者等に向けて強力に送風する。送風ファンと第二熱交換器との配置の関係については、送風ファンの吸気口が開いている側の面と第二熱交換器の空気が通り抜ける一方の面とが向かい合う状態となるように構成している。また、風を送出する送風口の中心を、地面から1.5m未満の高さに設けることが好ましい。
また、送風ファンは、第二熱交換器とともに筐体で覆う構成とすることが好ましく、送風ファンの吸気側と第二熱交換器との間が気密に構成した筐体であることがより好ましい。
前記第一熱交換器及び前記送風ファンの各モータ部には、エアスイッチを接続した構成とすることもできる。この場合、エアスイッチの下流側で空気配管を分岐して前記第一熱交換器及び前記送風ファンに接続する構成とするのが好ましい。このような構成とすることにより、前記エアスイッチによって前記第一熱交換器及び前記送風ファンへの圧縮空気の供給と遮断とを一括して切り替え可能となる。
前記筐体の送風ファンと第二熱交換器との間に相当する部分に、所定の開口部を設け、第二熱交換器を通過した空気に含まれる水分を除去するためのエリミネータを配設した構成とすることもできる。このエリミネータは、前記開口部から着脱可能とすることが好ましく、前記開口部を筐体の上部に設け、上部から着脱できるようにするのがより好ましい。
他方、送風ファンの前方には、複数の収束ブレードを複数配設した収束フィンを設ける構成とすることも可能である。前記収束フィンは、送風ファンの中心軸上から半径方向に延設された支持部材と、前記支持部材の先端に斜設された収束ブレードとからなり、それらが前記中心軸を基準として円周方向に均等ピッチで複数配設して構成している。
送風を直線的にする別の手段としては、円周方向に仰角を有する拡散ブレードを送風ファンの中心軸を基準として円周方向に均等ピッチで配設した拡散フィンを設け、少なくとも前記拡散フィンの外周には、拡散フィンを覆うフード部材を配設した構成とすることもできる。この場合、前記フード部材は、拡散フィンよりも前方に突出した構成とするのが好ましい。
他方、前記第一熱交換器と前記循環液送出ポンプを、前記第二熱交換器よりも下側に配置する構成とすることが好ましく、前記第二熱交換器の直下には、結露水を受け入れる結露水受け皿を配設し、前記結露水受け皿の底面には、前記結露水を排出するための結露水排出口を配設するのがより好ましい。また、前記土台部材を、側壁が立設することで結露水を受け入れる箱形状とし、前記土台部材の底面に、前記結露水を排出するための結露水排出口を配設することもできる。
本発明では、第二熱交換機で循環液と施設内の空気とが熱交換をすることにより、外部からの熱媒体を低温のものにすることで冷房として動作させることができ、高温のものにすることで暖房としても動作させることができる。そのため、季節に応じて空調設備を使い分けたり、複数の空調設備を導入したりする必要がなく、経済的である。
第一熱交換器については、重ねた伝熱プレートの間を高温と低温の液体が交互に流れて熱交換するプレート式の水熱交換器とすることで、プレート間の隙間を高温液体と低温液体が交互に流れ、効率よく熱交換することが可能となり、外部の熱媒体が少量であっても、わずかな温度差を最大限に活用できる。
送風ファンの配置に関しては、送風ファンの吸気口が第二熱交換器に密接して配置されていることにより、送風ファンにより送出された空気の流れが妨げられないため、冷却或いは加温された空気は、作業者やその周囲環境に向けて効率よく強力に送風することができる。
一方、循環液送出ポンプ及び送風ファンにエア式モータを採用したことにより、本発明の冷暖装置の動作において電気を使用しないため、電源の無い場所であっても使用することができる。
筐体に関しては、送風ファンと第二熱交換器とを覆う構成としたことにより、送風ファンが吸気する際に、第二熱交換器を介さずに吸気されることを筐体が防ぐため、確実に第二熱交換器を経て送風させることができ、送風効率及び熱交換効率が向上する。また、送風ファンの吸気側と第二熱交換器との間を気密に構成することにより、第二熱交換器を通った空気が漏れて損失することなく送風することが可能となり、送風効率が向上する。
制御部品等を収納する制御ボックス等を筐体外部に取り付けた場合には、制御ボックスが突出してしまうため、冷暖装置を任意の場所に移動する際に周囲の設備や人にぶつかり、破損や怪我の原因となるところ、エアスイッチやレギュレータを筐体に内包することにより、冷暖装置に大きな突出部が形成されなくなるため、安全で見た目の美観にも優れるという効果もある。また、駆動に電気を使用しないため、内部にこれら制御部品を内包したとしても、感電や故障をすることがない。
また、前記筐体に内包したエアスイッチやレギュレータを操作する操作部を、筐体上に配置したことにより、操作者の操作性が向上する。この操作部を送風ファンより上側の筐体上に配置した場合には、更に操作しやすい位置となり、より操作性が向上する。
送風ファンと第二熱交換器との間にエリミネータを配設したことにより、第二熱交換器から大量に発する結露水が、結露水受け皿に滴下する前に送風ファンに吸引されて冷風とともに送風される場合に、結露水を含んだ冷風から水分を除去し、乾いた冷風を送風することができる。
送風ファンの前方に配設した収束フィンや、同様に送風ファンの前方に配設した拡散フィン及び拡散フィンを覆うフード部材により、直進性の高い送風が可能になり、より遠くの人や設備を空調することができる。また、施設の壁沿いに直線的に送風することで、施設内の空気が撹拌され、室温を場所に寄らず一定にすることができる。
環境的側面においては、エアコン等と異なりフロン類の冷媒ガスを使用しないため、環境へほとんど影響を与えず空調できる。また、閉流路内に循環液を循環させることで、不純物が混入せず、配管の洗浄の必要がほとんどないうえ、循環液送出ポンプや第一熱交換器が送風ファンよりも下に配置されているため、メンテナンスに手間を要しない。
まず、本発明の実施例1について、図1から図6に基づいて説明する。
まず本実施例における冷暖装置では、図1から図4に示すように、土台部材2aに、フレーム部材2b・2b…を立設して架台2とし、その架台2に、第一熱交換器3、循環液送出ポンプ4、第二熱交換器5、及び送風ファン6を設けた構成としている。
次に、本実施例の各構成要素について説明すると、まず本実施例の架台2において、土台部材2aは平面視略長方形であり、結露水を受け入れるために底板と立設した側壁とから成る箱形状を有している。底板と側壁とは、鋼板をそれぞれ隙間なく溶接して構成されているが、一枚の鋼板からプレス加工で側壁を形成し、角部を隙間なく溶接する方法を採用することもできる。
第一熱交換器3は、外部からの熱媒体と不凍液との間で熱交換をする役割を有し、外部からの熱媒体を受け入れる供給口3aと、熱交換後の外部からの熱媒体を排出する排出口3bが配設されている。
循環液送出ポンプ4は、閉流路内の不凍液を高速で循環させる役割を有し、第一熱交換器3との間で第一配管7を介して接続するとともに、第二熱交換器5との間で第二配管8を介して接続している。
第二熱交換器5は、不凍液と室内空気との間で熱交換をする役割を有し、循環液送出ポンプ4との間で第二配管7を介して接続するとともに、第一熱交換器3との間で第三配管9を介して接続している。
送風ファン6は、吸気口10と密接して配設された第二熱交換器5の他面側から室内空気を流入し、熱交換した空気を送風口11から送風する役割を有する。
さらに、送風ファン6の近傍に設けられるレギュレータは、圧縮空気の圧力によって送風量の調節を頻繁に行うことから、空気ボリュームのように作業者が容易に調節できる態様で設置されている。
さらに、本実施例では、図5(a)(b)に示すように、筐体20の送風ファン6と第二熱交換器5との間に相当する部分の上面部に、所定の開口部20aを設け、第二熱交換器5を通過した空気に含まれる水分を除去するためのエリミネータ22を挿入することができる構成としている(図5(c)参照)。このエリミネータ22は、開口部20aから着脱可能であり、状況に応じて種々の性能のエリミネータを選択的に装着することができる。
次に、本実施例における冷暖装置を冷房として動作させた場合の、冷房・除湿原理を図5、6に基づいて説明する。
次に、本実施例における冷暖装置を暖房として動作させた場合の、暖房原理を説明する。暖房運転と冷房運転との相違点は、クーリングタワー戻り水等の温水を得ることができる冷温水送出装置Cから、温水を供給する点である。
次に、本発明の実施例2について、図7から図9に基づいて説明する。
本実施例における冷暖装置は、実施例1において、送風ファン6の前方に、複数の収束ブレード16a・16a…が複数配設された収束フィン16を設ける構成としている点以外は、実施例1と共通である。
図7に示すように、収束フィン16は、送風ファン6の前方、かつ同軸に取り付けるための取付け部材16f・16f…を介して、ねじ等の一般的な止着部材で筐体に取着される。この取付け部材は金属製の丸棒と先端部に設けられた金具とからなり、金属の円筒状のハブ16eに対して、正面視十字型になるように4本取着されている。
この収束フィン16を送風ファン6の前方に取着したことにより、図9(対称部分を省略して記載)に示すように、送風ファン6から送出された風は、収束ブレード16aによって中心軸方向のベクトル成分17cを持つ風となる。また、送風ファン6によって送出される風は、送風ファン6のブレードが回転することによって、進行方向のベクトル成分17a及び円周方向のベクトル成分17bを有しており、この風が収束フィン16に接触したとしても、それらの割合は変化するものの、消滅することはない。
次に、本発明の実施例3について、図10から図12に基づいて説明する。
本実施例における冷暖装置は、実施例1において、送風ファン6の前方に複数の拡散ブレード18a・18a…を有する拡散フィン18を設け、拡散フィン18の外周には、拡散フィン18を覆うフード部材19を配設する構成としている点以外は、実施例1と共通である。
図10に示すように、拡散フィン18は、送風ファン6の前方、かつ同軸に取り付けるための取付け部材18c・18c…を介して、ねじ等の一般的な止着部材でフード部材19に取着される。この取付け部材は金属製の丸棒と先端部に設けられた金具とからなり、金属の円筒状のハブ18bに対して、正面視十字型になるように4本取着されている。なお、断面図では拡散ブレード18aは省略してある。
この拡散フィン18を送風ファン6の前方に取着したことにより、図12(a)(対称部分を省略して記載)に示すように、送風ファン6から送出された風は、拡散ブレード18aによって半径方向に押し流されて拡散される。しかし、拡散フィン18を覆うようにフード部材19が配設されていることにより、半径方向に拡散した風はフード部材19の内壁に接触し、内壁に沿って前方に送出される。
また、直進性の高い風が高速で放出されることにより、ベルヌーイの定理により、気流周辺の気圧が減少し、大気圧である周囲の空気を吸い込みながら進行する。本実施例の場合、図12(b)に示すように、フード部材19の中心軸は速度がゼロに近く、外周に近づくほど高速になるような速度分布を有する。このため、風速が速い場合には、吸引された空気の中心軸方向に向かうベクトル成分17cが強い向心力となり、送風ファン6により送出された風の持つ進行方向のベクトル成分17aと円周方向のベクトル成分17bとに加わることで、直進性の高い螺旋流17を発生させることができる。
本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は図示の実施形態に限定されるもの
では決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例え
ば、図13に示す実施例4では、送風ファン6のファン部分が筐体の端部とヒンジ連結されることにより、筐体から開閉可能に構成されている。
2 架台
2a 土台部材
2b フレーム部材
3 第一熱交換器
3a 供給口
3b 排出口
4 循環液送出ポンプ
5 第二熱交換器
5a 管部
5b フィン部
6 送風ファン
7 第一配管
8 第二配管
9 第三配管
10 吸気口
11 送風口
12 結露水受け皿
13 結露水排出口
14 キャスター部材
15 循環液供給口
16 収束フィン
16a 収束ブレード
16b 支持部材
16c 中心側寄りの稜線部
16d 外側寄りの稜線部
16e ハブ
16f 取付け部材
17 螺旋流
17a 進行方向のベクトル成分
17b 円周方向のベクトル成分
17c 中心軸方向のベクトル成分
17c’ 半径方向のベクトル成分
18 拡散フィン
18a 拡散ブレード
18b ハブ
18c 取付け部材
19 フード部材
20 筐体
20a 開口部
21 操作部
22 エリミネータ
F 床面
H 送風口の中心と地面との高さ
C 冷温水送出装置
Claims (10)
- 作業現場の温度及び湿度管理のために冷暖風を送風する冷暖装置であって、
土台部材と、前記土台部材に立設されたフレーム部材とから成る架台と、
前記架台には、外部からの熱媒体と循環液との熱交換を行う第一熱交換器と、前記循環液を送り出す循環液送出ポンプと、前記循環液と室内空気との熱交換を行う第二熱交換器と、前記第二熱交換器に密接して配設される送風ファンとが設けられる一方、
前記循環液送出ポンプ及び前記送風ファンのモータ部は圧縮空気により駆動するエアモータであり、
前記第一熱交換器は、前記外部の熱媒体を受け入れる供給口と、前記外部の熱媒体を排出する排出口とを備え、
前記第一熱交換器と前記循環液送出ポンプとが第一配管を介して接続され、
前記循環液送出ポンプと前記第二熱交換器とが第二配管を介して接続され、
前記第二熱交換器と前記第一熱交換器とが第三配管を介して接続されることで、圧縮機を備えない閉流路が形成されて、
前記閉流路内には、前記循環液が循環し、
電気を用いることなく圧縮空気のみで冷暖風を送風可能とすることを特徴とする、エア駆動式冷暖装置。 - 前記循環液送出ポンプ及び送風ファンのモータ部には、圧縮空気の供給と遮断とを切り替えるエアスイッチが接続され、
前記送風ファンのモータ部とエアスイッチとの間には、空気圧を調整するレギュレータが接続され、
前記エアスイッチとレギュレータとが前記送風ファンと前記第二熱交換器とを覆う筐体に内包されて、
前記エアスイッチとレギュレータとを操作するための操作部が、前記筐体上に配設されていることを特徴とする、請求項1に記載のエア駆動式冷暖装置。 - 前記送風ファンの前方には、送風ファンの中心軸上から半径方向に延設された支持部材と、前記支持部材の先端に斜設された収束ブレードとが、前記中心軸を基準として円周方向に均等ピッチで複数配設された収束フィンが設けられ、
前記支持部材と前記収束ブレードとの成す角度は90度~45度であり、
前記収束ブレードは、長手方向の中心側寄りの稜線部が外側寄りの稜線部よりも前方となるように形成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のエア駆動式冷暖装置。 - 前記送風ファンの前方には、円周方向に仰角を有する拡散ブレードが、送風ファンの中心軸を基準として円周方向に均等ピッチで配設された拡散フィンが固設され、
少なくとも前記拡散フィンの外周には、拡散フィンを覆うフード部材が配設されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のエア駆動式冷暖装置。 - 前記第二熱交換器と送風ファンとの間に、着脱可能なエリミネータを配設していることを特徴とする、請求項1~4の何れかに記載のエア駆動式冷暖装置。
- 前記第一熱交換器及び前記循環液送出ポンプは、前記第二熱交換器よりも下側に配置されていることを特徴とする、請求項1~5の何れかに記載のエア駆動式冷暖装置。
- 前記第二熱交換器の直下には、結露水を受け入れる結露水受け皿が配設され、前記結露水受け皿の底面には、前記結露水を排出するための結露水排出口が配設されていることを特徴とする、請求項6に記載のエア駆動式冷暖装置。
- 前記土台部材は、側壁が立設することで結露水を受け入れることができる箱形状を成し、前記土台部材の底面には、前記結露水を排出するための結露水排出口が配設されていることを特徴とする、請求項6又は7に記載のエア駆動式冷暖装置。
- 前記外部からの熱媒体は水であり、前記循環液は不凍液であり、前記第一熱交換器は前記水と前記不凍液との熱交換を行うプレート式の水熱交換器であり、前記第二熱交換器は前記不凍液と前記室内空気との熱交換を行うコルゲートフィン式の空気熱交換器であることを特徴とする、請求項1~8の何れかに記載のエア駆動式冷暖装置。
- 前記土台部材には、前記架台を移動可能とする複数のキャスター部材が取り付けられていることを特徴とする、請求項1~9の何れかに記載のエア駆動式冷暖装置。
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