JP4503621B2 - 給気チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、置換換気用給気チャンバに関する。

例えば居室などの空調空間を換気するものとして、置換換気システム（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）が知られている。この置換換気システムでは、空調空間内の下部（例えば居住域)に室温より若干低温の空気をゆっくりとした給気速度（一般的には０．２ｍ／ｓ以下）で供給し、その空気が空調空間内に存在する発熱体などによって加熱されて発生する上昇流により、空調空間内で生じた塵埃やガスなどの汚染物質を空調空間内の上方に搬送している。そして、天井などに設けられた排気口から加熱された空気と共に汚染物質を排気することにより、空調空間内の換気を行う。

かかる置換換気システムにあっては、空調空間内の上方には、高温で汚染物質濃度の高い領域が形成されるが、空調空間内に給気される低温空気によって順次押し出されることにより、高温で汚染物質濃度の高い空気が攪拌されることなく排気されるため、空調空間内の下方は清浄な環境に保たれ、また、給気温度を下げなくても空調空間内の温度を快適範囲に維持できるといった利点がある。このように、置換換気システムは、省エネルギーと高換気効率運転が可能な空調システムとして期待されている。

ところで、この置換換気システムでは、図１３に示すように、給気ダクト１００を経て給気チャンバ１０１に供給された給気（低温空気)ＳＡは、給気チャンバ１０１の前面に形成された多数の給気口１０２から、空調空間内に給気される。こうして給気された低温空気は、室内空気との温度差による浮力差によって、床方向に下降し、床に沿って流れるドラフト１０３を生じ、空調空間内にいる人間に対し、足下にドラフト１０３による不快感を与える可能性がある。そこで、従来の置換換気システムでは、給気口１０２から空調空間内へ吹き出す低温空気の速度を０．２ｍ／ｓ以下程度に抑え、ドラフト１０３の速度をなるべく小さくしていた。

しかしながら、このように低温空気の吹出し速度をゆっくりにすればするほど、所定の給気量を得るためには、大型の給気チャンバ１０１や多大な給気口１０２の総面積を必要とし、設備コストを増大させる要因となり、また、大型の給気チャンバ１０１を設置する場所の確保が困難な場合もあった。

また、設置スペースの制約から、例えば図１４に示すように、複数の給気チャンバ１０１を隔離しないで隣接して設置した場合、各給気チャンバ１０１の給気口１０２から低温空気を給気して形成されたドラフト１０３が、互いに平行流となって放射状に広がらずに床上を流れるため、ドラフト１０３の減衰距離が長くなり、足下にドラフト１０３を感じさせる不快域が広がる心配があった。

更に、置換換気システムにおいて、空調空間内の上下温度差を小さくするためには、給気口から吹き出す低温空気の風量を増加させ、給排気の温度差を小さくする必要があるが、そうすると、ドラフトによる不快感をより一層を増大させる心配があった。

したがって本発明の目的は、設備コストを増大させることなく、ドラフトによる不快感をより低減でき、しかも、居住域内の上下温度差を小さくできる置換換気用給気チャンバを提供することにある。

この目的を達成するために、空調空間内に低温空気を供給し、空調空間内で加熱されて上昇した加熱空気を排気することにより換気を行う置換換気システムであって、低温空気に旋回成分を与えて空調空間内に吹き出すことを特徴とする置換換気システムが提供される。

空調空間内に低温空気を吹き出すと、吹き出された低温空気に空調空間内の空気が誘引されて一緒に移動する誘引作用がはたらく。この置換換気システムによれば、空調空間内に吹き出す低温空気に旋回成分を与えることにより、吹き出した低温空気量に誘引される空調空間内の空気の誘引量（誘引比)を増加させることができる。そして、このように誘引量が増加することに伴い、運動量保存則に従って低温空気の速度は低減し、速やかに減速することとなる。また、このように誘引量が増加することに伴い、低温空気を速やかに昇温させることができ、空調空間内の上下温度差をより小さくすることが可能となる。こうして、空調空間内をなるべく少風量で効率よく空調でき、省エネルギに貢献することができる。

この置換換気システムにおいて、低温空気の給気口には、低温空気に対して旋回成分を与えるフィンを設けると良い。そうすれば、給気口から空調空間内に吹き出される低温空気に対して、容易かつ低廉に旋回成分を与えることができる。

また、低温空気の給気口を複数並べて配置する場合は、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が互いに逆の回転方向となる関係にすると良い。そうすれば、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回運動がお互いに助長しあうこととなり、給気口から吹き出した低温空気量に誘引される空調空間内の空気の誘引量を更に増加させることができるようになる。
本発明によれば、置換換気が行われる空調空間内に低温空気を供給する給気チャンバであって、前面に低温空気の給気口が縦横に並べて配置され、各給気口に、低温空気に対して旋回成分を与えるフィンを設け、上下に配列された給気口と横に配置された給気口の間において、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が互いに逆の回転方向となる関係にしたことを特徴とする、置換換気用給気チャンバが提供される。
この給気チャンバにおいて、前面を空調空間の側面下部に露出させた状態で、空調空間の側面の下部に設けられても良い。また、前面に複数の給気口が設けられ、各給気口に傾斜したフィンが取り付けられ、隣り合う給気口のフィンの傾斜方向が互いに逆向きであっても良い。

本発明によれば、従来よりもコンパクトな給気ユニットなどを利用してドラフト感の少ない置換換気を実現できる。コンパクト化によって、従来よりも給気ユニットなどの設置場所の制約を受けにくくなり、設備コストも低減できる。また、空調空間内の空気を誘引混合するため、従来よりも少ない風量で居住域などの上下温度差を快適範囲に保つことができ、省エネルギーにも寄与できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる置換換気システム１を説明するための概略構成図である。

空調空間１０は、例えば事務室、電算室、客室、宴会場、遊技場、印刷室、病室、便所、厨房、機械室、ボイラ室、工場などであり、天井、床及び側壁で区画されている。空調空間１０の内部には、発熱体として例えば人間１１が存在している。空調空間１０の下部には、給気口１５が設けられ、空調空間１０の上部には、排気口１６が設けられている。図示の例では、空調空間１０の一側面（空調空間１０を形成している室の一つの側壁)１７の下部に給気口１５を開口させ、上部に排気口１６を開口させるように配置している。空調空間１０の一側面１７の下部背面側には、給気チャンバ２０が設けられており、この給気チャンバ２０の前面２１が、空調空間１０の一側面１７の下部に露出している。

こうして空調空間１０の一側面１７下部に露出した給気チャンバ２０の前面２１には、図２に示すように、複数の給気口１５が縦横に並べて配置されている。給気チャンバ２０には、外気ＯＡを空調機２２に取り込んで作られた低温空気ＳＡが、給気ダクト２３を経て供給されている。これにより、給気チャンバ２０の前面２１に形成された複数の給気口１５から、空調空間１０の内部に向かって低温空気ＳＡが供給されるようになっている。空調機２２は、外気ＯＡを冷却して低温空気ＳＡを作るための冷却器２５やフィルタ（図示せず)を備えており、また、作った低温空気ＳＡを給気ダクト２３及び給気チャンバ２０を経て空調空間１０内に供給する給気ファン２７などを備えている。

各給気口１５には、図３、４に示すように、複数のフィン３０を有する吹出部材がそれぞれ装着されている。各給気口１５の中央に支持部材３１が設けてあり、図示はしないが、給気チャンバ２０に対してこの支持部材３１が固定されている。各フィン３０は、この支持部材３１の周りに適当な等間隔で放射状に取り付けてある。また、給気口１５から空調空間１０の内部に向かって吹き出す低温空気ＳＡに旋回成分を与えるべく、各フィン３０は給気口１５の中心軸１５’に対してそれぞれ傾斜して配置されており、図３と図４では、フィン３０の傾斜方向が逆向きの関係になっている。

このように、各給気口１５に傾斜したフィン３０を放射状に取り付けたことにより、給気チャンバ２０の内部から給気口１５に向かって流れ込んできた低温空気ＳＡを、給気口１５を通過する際に、各フィン３０に沿わせて強制的に流すことができる。これにより、給気口１５から空調空間１０に向かって吹き出す低温空気ＳＡに、中心軸１５’を中心とする旋回成分を与えるようになっている。

ここで、図３、４では、前述の吹出部材について、フィン３０の傾斜方向が互いに逆向きであり、図３に示したフィン３０によっては、給気口１５を通過する際に、給気チャンバ２０の前面２１を空調空間１０の室内側から見た場合において、反時計回転方向の旋回成分が低温空気ＳＡに与えられる。一方、図４に示したフィン３０によっては、給気口１５を通過する際に、給気チャンバ２０の前面２１を空調空間１０の室内側から見た場合において、時計回転方向の旋回成分が低温空気ＳＡに与えられる。

前述のように給気チャンバ２０の前面（空調空間１０を形成している室の内部側の面)２１には、複数の給気口１５が縦横に並べて配置されているが、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分は、互いに逆の回転方向の関係になっている。即ち、例えば図５に示すように上下方向に並んだ４つの給気口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを例にして説明すると、１番上の給気口１５ａと上から３番目の給気口１５ｃでは、フィン３０の傾斜方向が図３で説明した状態であり、これら給気口１５ａと給気口１５ｃからは、反時計回転方向の旋回成分を与えられた低温空気ＳＡが吹き出される。一方、上から２番目の給気口１５ｂと４番目の給気口１５ｄでは、フィン３０の傾斜方向が図４で説明した状態であり、これら給気口１５ｂと給気口１５ｄからは、時計回転方向の旋回成分を与えられた低温空気ＳＡが吹き出される。このように、隣り合う給気口１５ａと給気口１５ｂ、給気口１５ｂと給気口１５ｃ、給気口１５ｃと給気口１５ｄの間において、それぞれ互いに逆の回転方向に旋回する低温空気ＳＡを吹き出すようになっている。

即ち、図６に示すように、上下方向に並んだ４つの給気口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄからいずれも同じ回転方向に旋回する低温空気ＳＡ（図６に示す例では、いずれも反時計回転方向に旋回する低温空気ＳＡ)を吹き出した場合、給気口１５ａと給気口１５ｂの間、給気口１５ｂと給気口１５ｃの間及び給気口１５ｂと給気口１５ｃの間において、互いに打ち消しあう方向に低温空気ＳＡが吹き出されることとなる。そうすると、各給気口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が相殺されてしまう。

一方、図５で説明したように、各給気口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから吹き出す低温空気ＳＡの旋回成分を交互に逆の回転方向とすれば、給気口１５ａと給気口１５ｂの間、給気口１５ｂと給気口１５ｃの間及び給気口１５ｂと給気口１５ｃの間のいずれにおいても、互いに同じ方向に低温空気ＳＡが吹き出されることとなるので、各給気口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が相殺されず、お互いに旋回運動を助長しあうようになる。

なお、図５では、上下に配列された給気口１５の関係について説明したが、先に図２で説明したように、給気チャンバ２０の前面２１には複数の給気口１５が縦横に並べて配置されている。そこで、上下に配列された給気口１５の関係のみならず、横に配置された給気口１５の間においても、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるように、各給気口１５に設けられたフィン３０の傾斜方向が設定されている。

図１に示すように、空調空間１０の上部に配置された排気口１６には、排気ファン４０を備えた排気ダクト４１が接続されている。これにより、空調空間１０の上部に溜まった空気（空調空間１０に存在している人体やＯＡ機器などの熱負荷によって加熱された空気)が、排気ダクト４１を経て外部に排気ＥＡされるようになっている。

さて、以上のように構成された置換換気システム１において、空調機２２で作った低温空気ＳＡを、給気ファン２７の稼動により、給気ダクト２３及び給気チャンバ２０を経て空調空間１０内に供給する。給気口１５を通過する際に、給気口１５に装着されたフィン３０により、低温空気ＳＡに対して旋回成分が与えられ、こうして、空調空間１０内に向かって、各給気口１５から旋回しながら低温空気ＳＡが給気される。

すると、各給気口１５から吹き出した低温空気ＳＡに、空調空間１０内の空気が誘引されて一緒に移動する誘引作用がはたらく。この場合、図示の置換換気システム１にあっては、給気口１５から吹き出す低温空気ＳＡに旋回成分が与えられるので、低温空気ＳＡに誘引される空調空間１０内の空気の誘引量（誘引比)が増加する。これに伴い、運動量保存則に従って低温空気ＳＡの速度は、各給気口１５から吹き出した後、速やかに減速することとなる。

こうして空調空間１０内に供給された低温空気ＳＡは、温度差により、空調空間１０内の下方に下降するように流れ、空調空間１０内の下方の居住空間を低速で満たしていき、居住空間を快適な環境に保つことが可能となる。

一方、空調空間１０内の例えば居住空間には、発熱体としての人間１１などが存在しているので、空調空間１０内に供給されて人間１１やその他の発熱機器類などに熱的に接触した低温空気ＳＡは、やがて加熱され、緩やかに上昇する。その上昇流により、空調空間１０内において人間１１の周りに生じた塵埃やガスなどの汚染物質を空調空間１０内の上方に搬送することができる。

そして、空調空間１０の上部に溜まった空気（加熱された空気)は、攪拌されることなく、即ち、空調空間１０内に形成された居住空間などの温度成層を乱すことなく、排気口１６及び排気ダクト４１を経て、排気ファン４０外部に排気ＥＡされる。こうして、低温空気ＳＡを空調空間１０内の下方に供給しつつ、空調空間１０の上部から、加熱空気と共に塵埃やガスなどの汚染物質を排気することにより、空調空間１０内の換気が行われ、空調空間１０内の下方は清浄な低温空気ＳＡの環境に保たれる。

この置換換気システム１によれば、空調空間１０内に給気される低温空気ＳＡに旋回成分が与えられていることにより、低温空気ＳＡは、各給気口１５から吹き出した後、速やかに減速することとなり、空調空間１０内の居住空間などにいる人間１１にドラフトを感じにくくさせることができる。また、給気口１５から吹き出した低温空気ＳＡに対し、より高温な周囲空気（空調空間１０内の空気)が誘引される量が増加し、低温空気ＳＡと周囲空気との温度差が速やかに小さくなり、空調空間１０内の居住空間などにおける上下温度差をより小さくすることが可能となる。

なお、この実施の形態で説明したように、給気チャンバ２０の前面２１に形成された複数の給気口１５において、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が互いに逆の回転方向の関係となるようにすれば、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回運動がお互いに助長しあうこととなり、各給気口１５から吹き出した低温空気ＳＡに誘引される空調空間１０内の空気の誘引量を更に増加させることができる。このため、低温空気ＳＡを給気口１５から高速で吹き出しても、減衰距離を大幅に短くできる。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。例えば、図１中に点線で記入した戻りダクト４５設けることにより、排気ＥＡの一部を空調機２２に戻して、再利用するように構成しても良い。また、排気ファン４０を省略し、空調空間１０内の下方に供給した低温空気ＳＡによって、空調空間１０の上部に溜まった加熱空気を順次押し出すようにしても良い。また、排気口１６を空調空間１０の天井に形成してもよい。更に、本発明の置換換気システムは、居室に限らず、前述したような人間や各種機器類などが存在する種々の空調空間について適用できる。

また図３、４では、支持部材３１に複数のフィン３０を放射状に取り付けた構成の吹出部材を、各給気口１５にそれぞれ装着した例を説明したが、各給気口１５に装着される吹出部材の構成は、この形態に限定されない。例えば本出願人が先に特開平９-２５０８０３号の図５で開示した旋回流形成板の如き、平板からフィンを打ち抜いて形成した構成の吹出部材を用いても良い。いずれにしても、旋回成分を与えることができる吹出部材であれば良い。また、給気チャンバ２０の前面２１に縦横に並べて配置された複数の給気口１５において、図７に示すように、上下に配列された給気口１５と横に配置された給気口１５のいずれの間においても、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるように設定されていてもよい。また一方、図８に示すように、上下に配列された給気口１５の間では、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるが、横に配置された給気口１５の間では、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに同じ回転方向の関係となるように設定されていてもよい。また逆に、図示はしないが、横に配列された給気口１５の間では、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるが、上下に配置された給気口１５の間では、隣り合う給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、互いに同じ回転方向の関係となるように設定されていてもよい。また、全部の給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、いずれも同じ回転方向の関係となるように設定されていてもよい。更に、各給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分が、不規則に同じ回転方向となったり逆の回転方向となるように設定されていてもよい。各給気口１５から吹き出される低温空気ＳＡの旋回成分の回転方向は、任意に設定できる。

本発明の置換換気システムについて、実施例を行った。図９は、本発明の置換換気システムを、給気口から旋回成分を与えないで低温空気を吹き出すように構成された従来例の置換換気システムと比較して、給気口からの距離に対する最大風速Ｖｍａｘ（給気口から離れた各距離における最大風速Ｖｍａｘ)の変化を示したグラフである。図１０は、本発明の置換換気システムを従来例の置換換気システムと比較して、給気口からの距離に対するドラフトによる不満足者率ＰＤの変化を示したグラフである。図１１、１２は、いずれも空調空間内の温度差（床からの高さに対する温度変化)を示すグラフであり、図１１は従来例の置換換気システム（図１１)について示し、図１２は本発明の置換換気システム（図１２)について示したものである。

本発明と従来例を比較するにあたり、同一風量（２０ｍ^３／（ｈ／ｍ^２））とし、同一室内発熱下（５０Ｗ／ｍ^２）とした。ここで、ＰＤは、次の（１）式を用いて算出した。
PD(%)=(34-t_a)・(V-0.05)^0.62・(0.37・V・T_u+3.14)・・・（１）
V：風速（m/s）
t_a：空気温度（℃）
T_u：乱れの強さ（％）＝V_ST／V・100
V_ST：風速の標準偏差

空調空間内において、居住域である床上１．１ｍの温度が２５℃になるように給気温度を調整した。従来例の置換換気システムでの吹出し風速は０．１７ｍ／ｓとし、本発明の置換換気システムでの吹出し風速は、従来例のほぼ１０倍の吹出し風速を与えた。また、図１１、１２において、ΔＴ_Ｒ：放射熱伝達による温度上昇率、ΔＴ_ＥＮＴ：吹き出し誘引による温度上昇率、Ｔ_Ｓ：給気温度、Ｔ_Ｅ：排気温度、Ｈ_ＳＴ：成層高さ（空調風量と室内発熱から発生する熱プルーム風量の平衡高さ)、Ｔ_ＳＴ：成層高さの空気温度（ほぼ排気温度と同等)、Ｔ：任意の高さにおける温度、Ｔ_Ｆ：床面での温度をそれぞれ示し、温度差（横軸)は、床面と天井との温度差に対する温度比（Ｔ−Ｔ_Ｓ)／（Ｔ_Ｅ−Ｔ_Ｓ)で示した。本発明の置換換気システムでは、吹出し風速を約１０倍速くしたにもかかわらず、給気口近傍（給気口から１ｍ以内）を除いて従来例の置換換気システムの場合よりも居住域内の上下温度差が小さく、より快適な環境を実現できている。

本発明の実施の形態にかかる置換換気システムを説明するための概略構成図である。 給気チャンバの前面図である。 空調空間の室内側から見て反時計回転方向の旋回成分を低温空気に与えるようにフィンを取り付けた給気口の正面図である。 空調空間の室内側から見て時計回転方向の旋回成分を低温空気に与えるようにフィンを取り付けた給気口の正面図である。 隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分を交互に逆の回転方向とした給気口の説明図である。 隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分を同じ回転方向とした給気口の説明図である。 上下に配列された給気口と横に配置された給気口のいずれの間においても、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるように設定された給気口の説明図である。 上下に配列された給気口の間では、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が、互いに逆の回転方向の関係となるが、横に配置された給気口の間では、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が、互いに同じ回転方向の関係となるように設定された給気口の説明図である。 本発明の置換換気システムと従来例の置換換気システムについて、給気口からの距離に対するＶｍａｘの変化を示したグラフである。 本発明の置換換気システムと従来例の置換換気システムについて、給気口からの距離に対するドラフトによる不満足者率ＰＤの変化を示したグラフである。 従来例の置換換気システムについて、調空間内の温度差（床からの高さに対する温度変化)を示すグラフである。 本発明の置換換気システムについて、調空間内の温度差（床からの高さに対する温度変化)を示すグラフである。 一般的な置換換気システムの課題を説明するための斜視図である。 複数の給気チャンバを隔離しないで隣接して設置した場合の課題を説明するための斜視図である。

符号の説明

ＳＡ 低温空気
１ 置換換気システム
１０ 空調空間
１１ 人間
１５ 給気口
１６ 排気口
２０ 給気チャンバ
２２ 空調機
２３ 給気ダクト
３０ フィン
４０ 排気ファン
４１ 排気ダクト

Claims (3)

1. 置換換気が行われる空調空間内に低温空気を供給する給気チャンバであって、
   前面に低温空気の給気口が縦横に並べて配置され、各給気口に、低温空気に対して旋回成分を与えるフィンを設け、上下に配列された給気口と横に配置された給気口の間において、隣り合う給気口から吹き出される低温空気の旋回成分が互いに逆の回転方向となる関係にしたことを特徴とする、置換換気用給気チャンバ。
2. 前面を空調空間の側面下部に露出させた状態で、空調空間の側面の下部に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の置換換気用給気チャンバ。
3. 前面に複数の給気口が設けられ、各給気口に傾斜したフィンが取り付けられ、隣り合う給気口のフィンの傾斜方向が互いに逆向きであることを特徴とする、請求項１または２に記載の置換換気用給気チャンバ。

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