JP6105933B2 - 直膨コイルを使用した空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の直膨コイルを使用した空気調和機に関し、特に、直列２段の直膨コイル群をそれぞれ複数の並列する直膨コイルとするものであって、省エネを実現する直膨コイルを使用した空気調和機に関する。

従来、水コイルを使用する空気調和機の熱媒(冷媒)は冷水、温水、蒸気などであるが、直膨コイルの空気調和機の冷媒コイルの熱媒は水以外の冷媒である。
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の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。

クリーンルームでの水コイル使用の基本的な空調システムは、図１に示すようなものであるが、戸外からの空気ＯＡは、冷水コイルaをバルブiで制御して熱交換され、目標の大凡の温度・湿度以下に冷房(暖房)され、再熱コイルｂと加湿器cとで微調整して求められる給気ＳＡを得ている。
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。

しかしながら、図１に示すような、従来の水コイル使用の基本的な空調システムは、(１)冷却・再熱のための熱源機器を設置するための熱源機械室が必要であり、(２)バックアップを考えた場合もう１セットのシステム設置が必要であり、(３)分散している空気調和機の運転台数に関わらず大型の熱源機器が運転し、冷水の搬送動力が低減し難く、（４)熱源機器、冷水・再熱コイル・加湿のバルブ制御が異なる工事区分となり、施工後の管理項目が煩雑となるといった問題点があった。

また、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るはずであるが、直膨コイルは水以外の冷媒であることから、液体や気体といった異なった相にするための圧力・温度の制御が難しく、きめ細かい制御の管理が厄介であるといった問題点があった。
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。

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３のシステムを説明すると、外気ＯＡが図４でのＡ点の状態であると、ファンと圧縮器からなる室外機ｋ１,ｋ２,ｋ３の全機運転し、直膨コイルｇ１,ｇ２,ｇ３のコイル出口空気温湿度を設定した露点温度以下、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にさげ、Ｂ点に移行する。
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。

しかしながら、図３に示すような、直膨コイル使用の基本的な空調システムは、(１)直膨コイルが並列設置の為、除湿能力を考慮すると負荷による室外機の停止が困難となり、台数制御運転やメンテナンス時・故障時の対応が出来ない。例えば、図４の空気線図で説明すると、直膨コイルｇ２,ｇ３が停止してバイパス状態であって、直膨コイルｇ１だけが稼働してる場合は、直膨コイルｇ１の出口空気温湿度はＢ点にはなるが、直膨コイルｇ２,ｇ３がバイパス状態であるので、これらを混合した空気は、Ｂmix点となり設定した露点温度以下にはならない。したがって、常時全数運転する必要がある。
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。

このため、直膨コイルは空気の温度・湿度管理の要求が厳格ではない家庭用の空気調和機等の室内機１個に対し室外機も１個ずつ使っている小型のエアコンを部屋ごとに設置する方法がむしろ好まれる傾向にあり、直膨コイルだけの空調設備は大きな工場等では採用され難い傾向にあり、特許文献１、２に開示されているように、直膨コイルと水コイルとの併用によって大きな工場等でも採用できる空気調和システムが提案されている。

そこで、発明者らは、特許文献３として、直膨コイルだけを使用した空気調和機であって、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、かつ、従来の冷水コイルや並列配置と同様に、広範囲での温度・湿度をきめ細かく制御が可能で、再熱コイル・加湿器を設置し恒温恒湿条件を満足できる空気調和機を提供している。

特開２００６−２９２３００号公報 特開２００８−７５９７８号公報 特願２０１１−２０２３２９

本発明は、直膨コイルだけを用いた空気調和機において、圧縮器に還流する冷媒の蒸発圧力を検知して、その蒸発圧力の値によって圧縮器の圧縮圧力を制御する空気調和機を提供しようとするものである。
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。

上記課題を解決するために、請求項１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、
下流の第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圧縮器の圧縮圧力を制御し、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、前記蒸発圧力による制御系の信号と前記室温の検知による制御系の信号とを選択回路で比較して、圧縮圧力を制御し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選択して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、
下流の第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圧縮器の圧縮圧力を制御し、直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、
冷房時の給気露点温度による制御系を併設して、前記蒸発圧力による制御系の信号と前記冷房時の給気露点温度による制御系の信号とを選択回路で比較して、圧縮圧力を制御し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選択して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３の発明は、請求項１又は２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、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。

本発明の直膨コイルを使用した空気調和機によれば、（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、或いは、給気温度を検知して制御す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選択して圧縮圧力を制御し、かつ、直膨コイル３５は常に非凍結域以上で冷媒を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）高効率運転が可能となる。また、（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。

更に、（５）多段(２段)並列の直膨コイル群を更に配置したので、細かな段数制御により直膨コイル出口温度を設定した露点温度に制御可能となる。特に、実施例では第２直膨コイル群３を４段並列としたので、給気に近い位置で正確な温度・湿度の制御が出来る。更に、細かな段数制御により、従来システムよりも少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±３℃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。
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。

また、（７）並列配置の直膨コイル群と並列配置の直膨コイル群を２段の直列設置の組み合わせにすることにより、ローテーション運転が可能で、ローテーション運転により直膨コイル群や室外機の長寿命化が可能となり、また、一部の直膨コイルや室外機が故障時のバックアップ運転が容易に対応できる。（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。

更に、（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。

従来の水コイル使用の空調システムの構成概略図、 図１、図３の従来の空気状態変化を説明する空気線図、 従来の直膨コイルを３台並列した空調システムの構成概略図、 図３の空気調和機での問題点を説明する空気線図、 本発明の実施例の直膨コイル群を使用し、直膨コイルの下流に再熱コイルと加湿器を配置した空気調和機の概略図、 実施例の再熱コイルの空気線図、 実施例の冷凍サイクルのモリエル線図、 実施例で外気ＯＡの状態の変化に対応した空調制御安定性(運転状況)の測定結果のグラフの図、 実施例で外気ＯＡの状態と各直膨コイルの稼働状態を説明する空気線図、 実施例で外気ＯＡの状態の変化に対応した運転状況の測定結果のグラフの図、 実施例でローテーション及びバックアップ運転の組み合わせ例を説明する説明図である。

本発明の直膨コイルを使用した空気調和機の好適な実施例を図面に沿って説明する。
［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２４に接続され、それぞれ独立して制御される。

前記第１直膨コイル群２の下流には前記第２直膨コイル群３が配置されるが、この直膨コイル群３は３台の直膨コイルである直膨コイル３１乃至３３が空気流に対して並列３段に配置され、それぞれ独立して運転・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。

ここで、第２直膨コイル群３における複数の直膨コイルのうち、直膨コイル３１を例として冷房サイクルを説明する。
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、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、圧力センサー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。

すなわち、圧縮器３５の圧縮器の運転制御回路３９２による駆動運転周波数指令を得るにあたり、室内からの露点温度センサを兼ねる室温センサ３１３の値(或いは図６の給気温度mの値)から演算制御回路３９３を介しての制御系の冷却圧力要求信号Ａと、直膨コイル３１からのコイル蒸発圧力(蒸発温度)を検知する圧力センサ３１１から値から中央制御装置３９内の演算制御回路で冷媒が冷凍域以上での冷却圧力要求信号Ｂと、を選択回路３９１で比較し、冷媒が冷凍域以下にならない範囲でより冷却可能な冷却圧力要求信号Ｃを選択することで、圧縮器３５の冷媒圧力をなるべく高く維持することで高効率運転で稼働するように、前記選択回路３９１で選択された選択信号Ｃを圧縮器３５の運転制御回路３９２に入力して、必ず直膨コイル３５は非凍結域以上で冷媒を循環するように維持し、直膨コイル３５の凍結事故を回避することができる。
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や加湿器５１，５２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、これらを膨張(制御)弁(バルブ)４２１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によって大まかな加湿を行い、下流の第２加湿器５２で最終的な目標湿度に供給空気ＳＡを加湿する。

ここで、実施例での第２直膨コイル群３での冷房サイクルで再熱としての空気線図を図６で説明する。
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。

次に、実施例の冷凍サイクルを図７に沿って説明するが、従来、直膨コイル３１からの蒸発圧力設定等は当初設定した以後はそのままの設定で稼働していた。これは前述したように直膨コイルは水以外の冷媒であることから、液体や気体といった異なった相にするための圧力・温度の制御が難しく、冷媒状態のみを目標に制御したためにコイル冷房能力が成り行きとなり空気状態の精密制御が出来ないうえ、風量等の空気負荷の急変時は図７のモリエル線図に示す凍結域Ｙ１以下に下がる欠点があり、また、圧縮器３５の溶媒への作動も飽和蒸気線を余裕を持って越え、冷媒が完全気体となってから圧縮器３５に移送するように設定していた。
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。

これに対して、実施例の冷凍サイクルは実線で示すＶ→Ｘ→Ｙ→Ｚ→Ｖで、圧縮器３５での圧縮負荷は、従来の点線の冷凍サイクルよりもＹ２だけ短縮し、それだけ圧縮負荷が軽減され、高効率運転を可能となるが、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、膨張工程(Ｙ)で圧力を減じ、この冷却された冷媒で直膨コイル３１で冷媒工程(Ｚ)で空気を冷却し、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３５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。

ここで、本実施例での上記の構成での実験結果を説明する。
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。

これを本実施例の直膨コイル21,22,23,31,32,33について説明すると、図６に示す空気線図のｋ点の空気エンタルピ状態を目標にコイル21,22,23は比例制御、及び、段数制御される。運転冷凍機の最適効率を維持できないところまで外気ＯＡがｊ点よりも下がりかつ冷凍機２台運転でｋ点のエンタルピまで空気状態を下げられる場合コイル21,22,23のうち一台を停止させて、運転冷凍機の効率を最高点近くに維持する。上記により冷凍機を一台停止することが可能となる。
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。

一方、直膨コイル31,32,33については、ｉ点の露点温度またはm点の乾球温度を目標に冷凍機蒸発圧力を変化させて精密制御されるが、この際、蒸発圧力を検知し、非凍結域に運転を制限することによりコイル凍結を避けて精密制御が可能となる。
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は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。

このように、外気条件の低下に応じて冷凍機を停止してゆくことにより、冷凍機の高効率運転を維持し、計画的なローテンション運転を実施して冷凍機の長寿命化、運転状態での容易なメンテナンスを実現する。
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。

[実施例２]
上述したローテーション運転を上流を２台の直膨コイル21,22(図５で上の２台とした構成)、下流４台の直膨コイル31,32,33,３４(図９,図１０、図５での３台に点線部の１台を追加した構成)を配置した別の実施例21,22,31,32,33,34ついて説明すると、図９の空気線図で、外気ＯＡが高温高湿のＡ領域の状態では、目標温度・湿度にするためには高負荷となり、全直膨コイルを稼働させることになるが、次に、外気ＯＡが高温高湿のＡ領域よりも多少湿度が低いＢ領域の状態では、負荷が多少下がるので、６台のうちどれか１台を休ませることができ、本実施例では直膨コイル３４を停止させることができる。なお、直膨コイル３３,３４を停止させるときは、当然のことながら空調空気の通過はダンパ等で停止することになる。
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を停止させることができる。

同様に、外気ＯＡがＣ領域よりも更に湿度と温度が低いＤ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３台を休ませることができ、本実施例では直膨コイル３２,３３,３４を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。

この時の実際の実施例での運転状態の測定結果をグラフにした図１０に沿って説明すると、図１０は、空気調和機１での入口空気条件(エンタルピを減少)を変化させた場合の出口での温度・湿度を測定したグラフである。
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１,２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。

次に、温度について説明すると、図１０の下側は温度の変化に関するグラフであるが、空気調和機１の入口温度:Ｙが３３℃から１８℃程度まで下がり、外気(入口)ＯＡの状態がＡからＥ領域に変化し、直膨コイルの稼働状態に伴って切り換え、直膨コイルの稼働台数を徐々に減らしていっても、途中、領域切換えで新たに直膨コイルの運転を停止する際に多少温度が上昇するが、それでも出口温度:Ｚは１０.３〜１２.６℃の範囲を維持している。
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。

また、この実施例によれば、故障時のバックアップ運転が容易に対応できるが、これをローテーションの実例と併せて、図１１に沿って説明する。
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21,22,31,32,33,34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21,22,31,32,33,34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。

また、故障時について説明すると、通常運転では、図１１の中段の両端に示されるように、Ｅ領域で直膨コイル２１と２２を稼働して直膨コイル３１乃至３４の４台を停止しているが、図１１の下段の両端(a)(f)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。
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。

更に、図１１のＣ領域運転２のように直膨コイル３３，３４を休ませている場合、図１１の下段の(ｄ)に示すように、直膨コイル３１と３２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３３、３４、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(ｅ)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。

以上詳述したように、各実施例によれば、
（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３５は常に非凍結域以上で冷媒で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。

（４）多段(２段)並列の直膨コイル群を更に配置したので、冷凍機一台では対応が不可能な大風量、大負荷においても、細かな段数制御により直膨コイル出口温度を設定した露点温度に制御可能となる。特に、実施例では第２直膨コイル群３を４段並列としたので、給気に近い位置で正確な温度・湿度の制御が出来る。
（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。

（７）並列配置の直膨コイル群と並列配置の直膨コイル群を２段の直列設置の組み合わせにすることにより、ローテーション運転が可能で、ローテーション運転により直膨コイル群や室外機の長寿命化が可能となり、また、一部の直膨コイルや室外機が故障時のバックアップ運転が容易に対応できる。
（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,(34)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。

ａ・・冷水コイル、ｂ・・再熱コイル、ｃ・・加湿器、ｄ・・バルブ、
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、
２４・・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、
３８,３８２,３８３,３８４・・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・・送風機(ファン)

Claims (4)

1. 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、
   下流の第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圧縮器の圧縮圧力を制御し、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、前記蒸発圧力による制御系の信号と前記室温の検知による制御系の信号とを選択回路で比較して、圧縮圧力を制御し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選択して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。
2. 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、
   下流の第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圧縮器の圧縮圧力を制御し、直膨コイルでの冷却温度を制御するとともに、
   冷房時の給気露点温度による制御系を併設して、前記蒸発圧力による制御系の信号と前記冷房時の給気露点温度による制御系の信号とを選択回路で比較して、圧縮圧力を制御し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選択して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。
3. 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１又は２に記載の直膨コイルを使用した空気調和機。
4. 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。
   

Images