JP2005214281A - 空調制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置作業やメンテナンスを容易に行えるようにする。電動弁と定流量器の現場設置後の確認作業を不要とする。
【解決手段】室内温度と設定温度との差に基づいて電動弁１０の開閉を制御する空調制御システムにおいて、電動弁１０の弁本体内の流路部に交換可能に定流量器１２を組み込む。定流量器１２は、筒状のホルダ３０と、ホルダ３０内に嵌挿された弾性体からなるリング状のオリフィス板３１と、オリフィス板３１がホルダ３０から脱落するのを防止するＣシングからなる止め輪３２とで構成し、電動制御弁１１の弁本体１３内に配管接続手段２１によって取り出し可能に固定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、室内温度と設定温度との差に基づいて電動弁（空調機への熱源水の供給通路に設けられた電動弁）の開閉を制御する空調制御システムに関するものである。

従来より、この種の空調制御システムとして、ファンコイルユニット（ＦＣＵ：熱交換コイルとファンが組み合わされた空調機）を使用した空調制御システムがある（例えば、特許文献１参照）。

図１１は、特許文献１に示された空調制御システムの要部を示す構成図である。同図において、１はＦＣＵ、２は空調制御装置（ＦＣＵ用コントローラ）、３は設定器、４は冷温水配管、４−１は往水路、４−２は還水路、５は冷温水配管４の往水路４−１の途上に設けられた電動弁（電磁弁）、６は電動弁５を介するＦＣＵ１への冷温水（熱源水）の温度を検出する送水温度検出センサ、７はＦＣＵ１からの給気を受ける室内の温度を検出する室温センサである。なお、同図において、ＣＨＳは往水、ＣＨＲは還水を示す。

ＦＣＵ１は、冷温水配管４からの冷温水の供給を受ける冷温水コイル１−１と、ファン１−２とを備えている。ＦＣＵ用コントローラ２は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）２−１と、ＲＡＭやＲＯＭ等からなるメモリ２−２と、センサ入力回路２−３と、ファン出力回路２−４と、バルブ出力回路２−５と、設定器３とのインターフェース回路２−６とを備えている。設定器３は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３−１と、ＲＡＭやＲＯＭ等からなるメモリ３−２と、操作キー３−３と、液晶表示部（ＬＣＤ）３−４と、ＦＣＵ用コントローラ２とのインターフェース回路３−５とを備えている。

この空調制御システムにおいて、ＦＣＵ用コントローラ２のＭＰＵ２−１は、室温センサ７からの検出室温（室内温度）ｔｐｖを設定器３からの設定温度ｔｓｐと合致させるように、電動弁５の開閉（オン／オフ）やファン１−２の回転数、すなわちＦＣＵ１への冷温水の供給量やファン風量を制御する。

一般に、ＦＣＵ１の流量制御は、最高の冷暖房効率を得ながら、最適な室温制御を行うべく、ＦＣＵ１へ規定の流量の冷温水を流し、この規定の流量の冷温水の供給量を電動弁５の開閉によって制御するようにしている。このため、通常、図１２に示すように、電動弁５と合わせて定流量弁（定流量器）８を用い、この定流量弁８によって１次側の圧力変動に拘わらずＦＣＵ１に供給する冷温水の流量（電動弁５の全開時に流れる冷温水の流量）を一定に保つようにしている。このような定流量器８は従来から種々提案されている（例えば、特許文献２〜４）。

特許文献２に開示された定流量器は、外筒と、この外筒の軸心部に設けた丸棒状の軸とを外筒の流入口側端部で軸より放射状に形成した複数のリブで接続して一体に構成したカートリッジと、前記軸に摺動自在に被冠したニードルと、このニードルに対向して前記外筒の流出口側開口部内に突設したノズルと、前記ニードルをノズルから離間する方向（流入側）に付勢するコイルスプリングとで構成したものである。

特許文献３に記載された低騒音形定流量器は、軸方向に流路を有する筒状外枠の下流側開口部にノズルケースを設け、このノズルケースの通液孔内に円筒形金網スクリーンを組込み、通液孔の少なくとも入口側の周縁部にゴム系のプラスチックからなるノズルを設け、このノズルに対向して筒状外枠内に組み込まれるニードルをコイルスプリングによって弾性支持するようにしたものである。

特許文献４に記載された定流量器は、筒体内のオリフィスに対向して配置されるニードルをコイルスプリングによって弾性支持し、流体の圧力に応じてニードルの位置を動かして定流量動作を行わせ、ニードルの先端部を平坦面として円柱形状に形成し、入力端部にシリンダ穴を開口し、軸棒の取付けリングを筒体の入力端側に嵌め込んで取付け、シリンダ穴に軸棒を嵌合し、ゴム等の弾性材料によって形成した筒状シール材を筒体の外フランジ部に被せ、その側周に周回する凸状の膨らみ部を形成し、径方向に余裕をもたせるようにしたものである。

ビル計装において、空調設備は、ポンプ、冷凍機（熱源）、ＦＣＵ、制御盤等を備え、その配管方式の種類として、ダイレクトリターン方式と、リバースリターン方式の２方式がある。
〔ダイレクトリターン方式〕
ダイレクトリターン方式は、図１３（ａ）に示すように、各階毎に設けたＦＣＵ１の還水路４−２を還水配管９に直接接続しているため、ビルの高層階ほど低圧になり、また各階毎に差圧が異なるため、各階のＦＣＵ１への冷温水の流量を規定の流量とすることができない。そこで、ダイレクトリターン方式では、図１３（ｂ）に示すように、各階毎に設けたＦＣＵ１の往水路４−１に定流量弁８を設け、各階の差圧に拘わらずＦＣＵ１に供給する冷温水の流量を一定に保つようにする。

〔リバースリターン方式〕
リバースリターン方式は、図１４（ａ）に示すように、各階毎のＦＣＵ１の還水路４−２を副還水配管９’に接続し、この副還水配管９’の上端を高層階において主還水配管９に接続しているため、各階における差圧を略一定にすることができる。しかし、各階でのＦＣＵ１の台数や能力が異なる場合は、その能力に合わせて流量を調整する必要がある。そこで、リバースリターン方式でも、図１４（ｂ）に示すように、各階毎に設けたＦＣＵ１の往水路４−１に定流量弁８を設け、各階でのＦＣＵ１の台数や能力に合わせて流量を調整できるようにする。

なお、図１３および図１４において、Ｐはポンプ、Ｇは熱源機である。定流量弁８を設けたダイレクトリターン方式やリバースリターン方式とすることにより、ＦＣＵ１への冷温水の流量を規定の一定値に保ち、最高の冷暖房効率を得ることができるようになる。また、電動弁５のオン／オフ制御によって、ＦＣＵ１を使用していない階は電動弁５を閉めて冷温水を止めることができ、省エネルギーにつながる。

この電動弁５と合わせて定流量弁８を用いる空調制御システムでは、ビルの空調設備の施工において、自動制御領域と設備領域とで施工業者が異なるのが普通であり、流量制御を行う操作端である電動弁５は自動制御領域の施工業者によって現場設置される一方、定流量弁８は設備領域の施工業者によって現場設置される。すなわち、従来の空調制御システムでは、電動弁５と定流量弁８とが異なる業者によって別個に設置されていた。

特開平１０−１７６８５８号公報 実開平２−９９０６号公報 特開平１１−２７０７４３号公報 特開２００２−３５１５４９号公報

上述したように、従来の空調制御システムでは、１台のＦＣＵ１に対して電動弁５と定流量弁８を別々に設置しなければならないため、設置作業やメンテナンスの手間がかかるという問題があった。
また、電動弁５と定流量弁８とを別々に設置し、しかもこれら２つの弁がどれだけ離れて設置されているかは設置後に決まるので、工場出荷時には電動弁５と定流量弁８を現場に設置したときの空調制御に及ぼす総合的な影響は全く予測することができない。このため、現場設置後にその確認作業を行わなければならず、しかもその確認作業に手間がかかったり、設計どおりの流量とならず、流量不足や流量過剰になるという問題もあった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、設置作業やメンテナンスを容易に行うことができる、また電動弁と定流量器の現場設置後の確認作業が不要となるとともに、設計どおりの流量を実現でき、流量不足や流量過剰となることを防ぐことができる空調制御システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、空調機と、この空調機への熱源水の供給通路に設けられた電動弁と、室内温度と設定温度との差に基づいて電動弁の開閉を制御する制御手段とを備えた空調制御システムにおいて、電動弁の弁本体内の流路部に交換可能に定流量器を組み込むようにしたものである。
本発明において、定流量器の電動弁への組み込み方式の一例として、定流量器を、筒状のホルダと、このホルダ内に嵌挿された弾性体からなるリング状のオリフィス板と、ホルダからオリフィス板が脱落するのを防止する止め輪とで構成し、弁本体内に配管接続手段によって取り出し可能に固定するという方式が考えられる。

本発明によれば、電動弁と定流量器とを一体化しているので、電動弁と定流量器との距離が設計，製造段階で決定され、工場出荷時に電動弁を現場に設置したときの電動弁と定流量器の空調制御に及ぼす総合的な影響を把握することができる。これにより、現場設置後の確認作業が不要となり、設計どおりの流量を実現でき、流量不足や流量過剰を防止することができるようになる。また、本発明では、定流量器を電動弁の弁本体内の流路部に交換可能に組み込んでいるので、メンテナンスが容易である。また、定流量器を交換することにより、必要に応じて規定の流量を変えることも可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る空調制御システムにおいて用いられる電動弁の一実施の形態を示す断面図、図２はこの電動弁に組み込まれる定流量器の断面図、図３はこの定流量器におけるオリフィス板の無負荷時と差圧印加時の状態を示す要部の拡大断面図である。

図１において、全体を符号１０で示す電動弁（以下、定流量電動弁と言う）は、電動制御弁１１と定流量器１２とで構成されている。図４にこの定流量電動弁１０を用いた空調制御システムの構成を示す。この空調制御システムでは、従来の図１２に示した空調制御システムと比較して分かるように、定流量器８が省略されている。図５（ａ）にこの定流量電動弁１０を使用したダイレクトリターン方式による空調設備の配管系を示す。図５（ｂ）にこの定流量電動弁１０を使用したリバースリターン方式による空調設備の配管系を示す。これらの空調設備の配管系では、図５（ａ）と図１３（ｂ）、図５（ｂ）と図１４（ｂ）を比較して分かるように、定流量器８が省略されている。

定流量電動弁１０において、電動制御弁１１は、従来周知の電動型ボール弁からなるオンオフ弁で、直管からなる弁本体１３と、この弁本体１３の内部中央に一対のシートリング１４，１４を介して回動自在に組み込まれたボール状の弁体１５と、弁本体１３の上面中央に上方に向かって一体に突設した円筒部１３Ａを貫通し内端に弁体１５が取付けられたステム１６と、円筒部１３Ａ上に設置されステム１６を９０°の角度範囲内で往復回動させる操作器１７等で構成されている。弁本体１３の上流側開口部１８には一次側配管１９が接続され、下流側開口部２０内には定流量器１２が配管接続手段２１によって取り出し可能に組み込まれている。また、下流側開口部２０には、外側に向かって拡径するテーパ孔２２が形成されるとともに、配管接続手段２１を介して二次側配管２３が接続されている。ボール１５の中央には、ステム１６の軸線と直交するストレートな流通孔２４が形成されている。

図２および図３において、定流量器１２は、筒状のホルダ３０と、このホルダ３０内に嵌挿されたリング状のオリフィス板３１と、このオリフィス板３１の抜けを防止する止め輪３２とで構成されている。したがって、この定流量器１２は構造上ニードルとコイルスプリングを必要としないという特長を有している。

ホルダ３０は、金属製（例えば、青銅製鋳物）で、下流側開口端部が小径孔部３３を形成し、この小径孔部３３より上流側が大径孔部３４を形成し、この大径孔部３４にオリフィス板３１が嵌挿されている。小径孔部３３は、内側に向かって曲線的に拡径する孔に形成されている。小径孔部３３と大径孔部３４との間に設けられた段差部３５は、オリフィス板３１の外周部を支持する支持部を形成している。また、ホルダ３０の外周面で下流側端部寄りには、環状の突条体３６が全周にわたって一体に突設されている。この突条体３６は、断面形状が台形状に形成されることにより、ホルダ３０の軸線に対して傾斜した上流側に位置するテーパ面３６ａと、下流側に位置する垂直面３６ｂと、テーパ面３６ａと垂直面３６ｂを接続する水平面３６ｃとで構成されている。テーパ面３６ａは下流側に向かって傾斜しており、その傾斜角度は弁本体１３のテーパ孔２２の傾斜角度と等しく設定されている。

オリフィス板３１は、ゴム（例えば、ＮＢＲ）等の弾性材料によって外径がホルダ３０の大径孔部３４の穴径より小さいリング状に形成されて、中央に小径孔部３３の穴径より小さい円形のオリフィス（絞り）４０を有し、外周部が段差部３５によって支持されている。

止め輪３２は、ステンレス等によって形成されたＣリングからなり、ホルダ３０の大径孔部３４の内周面に形成した環状溝４１に着脱可能に嵌着されている。この止め輪３２とオリフィス板３１との間には、十分な隙間Ｇが設定されている。この隙間Ｇと、大径孔部３４とオリフィス板３１との間の隙間Ｇ₁ は、差圧によるオリフィス板３１の自由な弾性変形を可能にするために設けられている。

図１において、配管接続手段２１は、筒状のユニオン継手４５と、ユニオンナット４６の２部材で構成されている。ユニオン継手４５は、外周面の上流側端部に環状の突条体４７が一体に突設され、下流側端部には下流側配管２３が螺合するテーパねじ４８が形成されている。ユニオンナット４６は、弁本体１３とユニオン継手４５を連結するもので、ユニオン継手４５の外周に嵌装されることにより、突条体４７に下流側から係合し、内周面には雌ねじ５０が形成されている。この雌ねじ５０は、弁本体１３の下流側外周面に形成した雄ねじ５１に螺合することにより、ユニオン継手４５を弁本体１３の下流側開口端面に押し付けている。また、これによってユニオン継手４５がホルダ３０の突条体３６を押圧し、テーパ面３６ａを弁本体１３のテーパ孔２２に圧接している。

このような構造からなる定流量電動弁１０において、定流量器１２のオリフィス板３１は、流体圧によって弾性変形することにより、定流量電動弁１０を通って下流側配管２３に流れる流体４の流量を略一定になるように制御する。すなわち、電動制御弁１１を開いて流体４を定流量器１２に流すと、定流量器１２の上流側圧力Ｐ₁ と下流側圧力Ｐ₂ （Ｐ₁ ＞Ｐ₂ ）に圧力差が生じる。このため、オリフィス板３１は、その差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）に応じて図３に実線で示す無負荷時の自然な状態から二点鎖線で示すように下流側に弾性変形してオリフィス４０の穴径が小さくなり、流路面積を減少させることにより、定流量器１２を流れる流体４の流量を一定になるように制御する。

定流量器１２の定流量動作において、止め輪３２をオリフィス板４０の上流側に十分な隙間Ｇをおいて設けるとともに、大径孔部３４の内周面とオリフィス板３１の外周との間に適宜な隙間Ｇ₁ を設けているので、オリフィス板３１が２点鎖線で示すように、中央部が小径孔部３３側に弾性変形して外周部が止め輪３２側に傾いても、オリフィス板３１は止め輪３２や大径孔部３４の内周面に接触することはない。したがって、オリフィス板３１は自由な弾性変形を拘束されることがなく、定流量機能を発揮する。

図６は定流量電動弁１０の流量特性を示す図である。同図において、横軸は上流側圧力Ｐ₁ と下流側圧力Ｐ₂ との差圧（ＭＰａ）を示し、縦軸は定流量器１２を流れる流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示す。曲線Ｃ１は１分当たり６Ｌ（リットル）流れる小型の定流量器１２の流量特性、曲線Ｃ２は１分当たり１２Ｌ（リットル）流れる中型の定流量器１２の流量特性、曲線Ｃ３は１分当たり２４Ｌ（リットル）流れる大型の定流量器１２の流量特性である。この図から明らかなようにいずれの定流量器１２においても流量を略一定に制御することができる。

また、この定流量電動弁１０において、定流量器１２は、ニードルやコイルスプリングを備えていないので圧力変動によって振動したり騒音を発生することが少なく、低騒音型の定流量電動弁１０を可能にする。因みに、定流量電動弁１０の作動時の騒音を測定したところ（バルブ後方１ｍ、配管より水平面１ｍの位置で測定）、差圧ΔＰ＝０．２ＭＰａ以下でＮＣ３５以下であった。なお、騒音測定環境はＩＥＣ基準に準ずる。特許文献２〜４に開示されている従来の定流量弁は、いずれもニードルをコイルスプリングによって付勢し流体圧とバランスさせる方式を採用しているため、圧力変動に対して敏感で、ビルの空調設備に適用すると、他のバルブによって誘起された圧力変動によって振動し、騒音が発生し易いという問題がある。

また、この定流量電動弁１０は、電動制御弁１１に定流量器１２を一体的に組み込んで構成されているので、現場での設置を自動制御領域または設備領域の施工業者が一度に行うことができ、設置作業やメンテナンスが容易である。
特に、電動制御弁１１と定流量器１２との距離は設計段階で決定されているので、定流量電動弁１０を現場に設置したときの空調制御に及ぼす総合的な影響を予め把握することができ、現場設置後の確認作業が不要である。また、設計どおりの流量制御を行うことができるため、流量不足や流量過剰になることもない。

また、この定流量電動弁１０では、突条体３６のテーパ面３６ａをテーパ孔２２に圧接しているので、定流量器１２を弁本体１３に対して自動的に調心することができる。
また、止め輪３２をホルダ３０から取り外すと、オリフィス板３１をホルダ３０から外して新しいものと容易に交換することができ、メンテナンスが容易である。また、定流量器１２を交換することにより、必要に応じて規定の流量を変えることも可能である。
また、電動制御弁１１と定流量器１２とを一体化させると、定流量器１２を配管に取付けるための部品を省略することができ、別個に配管に取付ける場合に比べて配管に対する取付け作業が簡単で安価に提供することができる。

特許文献２〜４に開示されている従来の定流量弁は、空調用の冷温水には配管の錆などの異物が多量に含まれる計装で使用される場合、交換の頻度が高くなる。また、交換の際には定流量器の単位で交換しなければならず、定流量器の内蔵部品の単位での交換ができず、交換時にコストアップとなる。これに対して、本実施の形態における定流量電動弁１０では、構造的に、空調用の冷温水には配管の錆などの異物が多量に含まれる計装で使用される場合であっても交換の頻度が少なくて済む。また、定流量器１２の内蔵部品（オリフィス板４０や止め輪３２）の単位での交換が可能であり、交換時のコストアップを避けることができる。

図７は定流量器の他の例を示す断面図、図８はオリフィス板の無負荷時と差圧印加時の状態を示す要部の拡大断面図である。
この定流量器６３では、ホルダ３０の小径孔部３３をストレートな孔に形成し、オリフィス板３１の下流側の面６０の中央にオリフィス４０に連通する円錐形の凹部６１を形成し、外周部を平坦面に形成している。このため、オリフィス板３１は凹部６１を取り囲む平坦面からなる外周部分がホルダ３０の段差部３５によって支持される。その他の構造は上述した定流量器１２と同一である。このような構造からなる定流量器６３においても、定流量器１２と同様に、二次側の流量を略一定に制御することができる。

図９は定流量電動弁１０を用いた空調制御システム（図４）における電動制御弁１１の弁開度と室温の制御状況を示す図である。ＦＣＵ１に冷水が供給されている場合には、室内温度ｔｐｖが設定温度ｔｓｐを上回ると（ｔｐｖ＞ｔｓｐ）、電動制御弁１１が開かれる。室内温度ｔｐｖが設定温度ｔｓｐを下回ると（ｔｐｖ＜ｔｓｐ）、電動制御弁１１が閉じられる。ＦＣＵ１に温水が供給されている場合には、室内温度ｔｐｖが設定温度ｔｓｐを下回ると（ｔｐｖ＜ｔｓｐ）、電動制御弁１１が開かれる。室内温度ｔｐｖが設定温度ｔｓｐを上回ると（ｔｐｖ＞ｔｓｐ）、電動制御弁１１が閉じられる。

この室温制御に際し、電動制御弁１１を流れる冷温水の流量（電動制御弁１１の全開時に流れる冷温水の流量）は定流量器１２によって一定とされるので、最高の冷暖房効率を得ながら、最適な室温制御を行うことが可能となり、安定した温度制御と快適性を実現できる。また、電動制御弁１１のオン／オフ動作の切り替えが必要最小限となるので、定流量電動弁１０の正常動作寿命が長くなる。

これに対し、定流量器１２を組み込まない電動制御弁１１だけの場合、すなわち図１２に示した空調制御システムにおいて定流量器１２を除去した構成（図１１の構成）では、電動弁５を流れる冷温水の流量を一定とすることができず、電動弁５の全開時に過剰な流量の冷温水が流れることがあり、安定した温度制御ができず、室温のオーバシュート量も大きく、快適性を損なう。また、必要以上に電動弁５がオン／オフを繰り返すので、電動弁５の正常動作寿命が短くなる（図１０参照）。

なお、上述においては、電動制御弁１１として、二方ボール弁からなる電動オンオフ弁を用いたが、これに限らずバタフライ弁等の他のオンオフ弁や、流量特性を有する弁を用いてもよい。
また、配管接続手段２１としては、ユニオン継手４５とユニオンナット４６に限らず、他の適宜な構造の配管接続手段を用いることも可能である。
さらに、定流量器１２は電動制御弁１１の弁本体１３の下流側開口部内に限らず上流側開口部内に組み込まれるものであってもよい。
また、上述においては、オリフィス板３１を用いた定流量器１２を定流量電動弁１２に組み込むようにしたが、他の方式の定流量器を組み込むようにしてもよい。

本発明に係る空調制御システムにおいて用いられる電動弁（定流量電動弁）の一実施の形態を示す断面図である。 定流量電動弁に組み込まれる定流量器の断面図である。 定流量器におけるオリフィス板の無負荷時と差圧印加時の状態を示す要部の拡大断面図である。 定流量電動弁を用いた空調制御システムの要部を示す構成図である。 定流量電動弁を使用したダイレクトリターン方式による空調設備およびリバースリターン方式による空調設備の配管系を示す図である。 定流量電動弁の流量特性を示す図である。 定流量器の他の実施の形態を示す断面図である。 定流量器の他の実施の形態におけるオリフィス板の無負荷時と差圧印加時の状態を示す要部の拡大断面図である。 定流量電動弁（電動弁＋定流量器）を用いた空調制御システムにおける電動制御弁の弁開度と室温の制御状況を示す図である。 電動弁のみを用いた空調制御システムにおける電動制御弁の弁開度と室温の制御状況を示す図である。 特許文献１に示された空調制御システムの要部を示す構成図である。 電動弁と定流量弁とを用いた空調制御システムの要部を示す構成図である。 電動弁および電動弁と定流量弁を使用したダイレクトリターン方式による空調設備の配管系を示す図である。 電動弁および電動弁と定流量弁を使用したリバースリターン方式による空調設備の配管系を示す図である。

符号の説明

１…ＦＣＵ（ファンコイルユニット）、２…空調制御装置（ＦＣＵ用コントローラ）、３…設定器、４…冷温水配管、４−１…往水路、４−２…還水路、７…室温センサ、１０…電動弁（定流量電動弁）、１１…電動制御弁、１２…定流量器、１３…弁本体、２１…配管接続手段、２２…テーパ孔、３０…ホルダ、３１…オリフィス板、３２…止め輪、３６…突条体、３６ａ…テーパ面、４０…オリフィス、４１…環状溝、４５…ユニオン継手、４６…ユニオンナット、Ｇ，Ｇ₁ …隙間、Ｐ…ポンプ、Ｇ…熱源機。

Claims (1)

1. 空調機と、この空調機への熱源水の供給通路に設けられた電動弁と、室内温度と設定温度との差に基づいて前記電動弁の開閉を制御する制御手段とを備えた空調制御システムにおいて、
   前記電動弁は、弁本体内の流路部に交換可能に組み込まれた定流量器を備えていることを特徴とする空調制御システム。
   

Images