JP2019124373A - 熱交換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】水ポンプの回転周波数を制御するインバータ装置から漏電する危険性及びインバータ装置が許容温度範囲を超える危険性を低下させる。【解決手段】冷媒を循環させる冷媒系統と、水入口部１５から流入する水を水出口部１７から排出する水系統と、冷媒系統の一部及び水系統を収容する機械室２０と、を備え、冷媒系統が、冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器９Ａ，９Ｂを有し、水系統が、水ポンプ１６と、水ポンプ１６の回転周波数を制御するインバータ装置１９ａと、を有し、水ポンプ１６が機械室２０の長手方向の一端に配置され、インバータ装置１９ａが機械室２０の長手方向の他端に配置されるチラーユニット１を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒系統と水系統とを備える熱交換ユニットに関するものである。

従来、複数の冷媒サイクル系統を収容し、各冷媒サイクル系統に接続された水熱交換器において冷媒と水とを熱交換させることにより冷水や温水を生成し、この冷温水によって室内の冷暖房や給湯を行うチラーユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１０６６４３号公報

チラーユニットにおいて、水熱交換器で冷媒と熱交換する水は、水循環ポンプが作動することにより水入口部から水出口部へ向けて流れる。水循環ポンプの回転周波数は、インバータ装置により制御される。
しかしながら、従来のチラーユニットにおいては、水循環ポンプの近傍にインバータ装置が配置されているため、水循環ポンプやその近傍の配管で水漏れが発生すると、インバータ装置から漏電する可能性がある。
また、水熱交換器での熱交換により水が加熱される場合、加熱された水によってインバータ装置の周辺が温度上昇し、インバータ装置の許容温度範囲を超えてしまう可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、水ポンプの回転周波数を制御するインバータ装置から漏電する危険性及びインバータ装置が許容温度範囲を超える危険性を低下させることが可能な熱交換ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様にかかる熱交換ユニットは、冷媒を循環させる冷媒系統と、水入口部から流入する水を水出口部から排出する水系統と、前記冷媒系統の一部及び前記水系統を収容する機械室と、を備え、前記冷媒系統が、前記冷媒と前記水との熱交換を行う水熱交換器を有し、前記水系統が、水ポンプと、該水ポンプの回転周波数を制御する第１インバータ装置と、を有し、前記水ポンプが前記機械室の長手方向の一端に配置され、前記第１インバータ装置が前記機械室の前記長手方向の他端に配置される。

本発明の一態様にかかる熱交換ユニットによれば、通常であれば制御信号に対するノイズの影響等を考慮して第１インバータ装置を水ポンプに隣接した位置に配置するところ、第１インバータ装置を水ポンプから機械室の長手方向に離れた位置に敢えて配置するようにした。そのため、水ポンプやその近傍の配管で水漏れが発生した場合に、第１インバータ装置から漏電する危険性が低下する。また、第１インバータ装置の周辺に加熱源となる水ポンプが存在しないため、水ポンプ及びそれに隣接した配管からの熱によって第１インバータ装置の周辺が温度上昇して第１インバータ装置の許容温度範囲を超える危険性が低下する。

本発明の一態様にかかる熱交換ユニットにおいて、前記冷媒系統は、前記冷媒を圧縮する圧縮機を有し、前記圧縮機は、前記機械室の前記長手方向において、前記水ポンプと前記第１インバータ装置とに挟まれた位置に配置されていてもよい。
水ポンプと第１インバータ装置とに挟まれた位置に圧縮機を配置することで、第１インバータ装置を水ポンプから十分に離れた位置に配置することができる。

本発明の一態様にかかる熱交換ユニットにおいて、前記冷媒系統は、前記圧縮機の回転周波数を制御する第２インバータ装置と、該第２インバータ装置が発生する高調波成分を低減するアクティブフィルタ装置と、を有し、前記第１インバータ装置が前記アクティブフィルタ装置の下方に配置される構成としてもよい。
本構成によれば、アクティブフィルタ装置の下方に第１インバータ装置を配置することで、アクティブフィルタ装置を配置するための空間の下方を活用して、第１インバータ装置を機械室に収容することができる。また、重量物である第１インバータ装置を下方に配置することにより、熱交換ユニットの重心が低くなり、熱交換ユニットの姿勢が安定する。

上記構成の熱交換ユニットにおいて、前記機械室には、前記アクティブフィルタ装置が収容可能な棚を高さ方向に複数段有するラックが設けられていてもよい。
アクティブフィルタ装置をラックに収納することで、機械室内の空間を有効に利用することができる。また、棚を高さ方向に複数段設けることとしたので、アクティブフィルタ装置を複数台収容する場合には、より有効に空間を利用することができる。

本発明によれば、水ポンプの回転周波数を制御するインバータ装置から漏電する危険性及びインバータ装置が許容温度範囲を超える危険性を低下させることが可能な熱交換ユニットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るチラーユニットの概略構成を示す系統図である。 図１に示すチラーユニットの外観を示す斜視図である。 図２のチラーユニットからパネルを取り外した状態を示す斜視図である。 ラックにアクティブフィルタ装置を収納した状態を示す斜視図である。 機械室内の各機器の配置を示した平面図である。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のチラーユニット（熱交換ユニット）１は、空冷ヒートポンプチラーユニットであり、第１〜第４の４つの冷媒系統Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、水系統Ｗと、を備える。

第１〜第４冷媒系統Ｒ１〜Ｒ４は、冷媒を循環させる冷媒回路であり、それぞれ、圧縮機５と、圧縮機５を駆動するインバータ装置（第２インバータ装置）５ａ（図５参照）と、オイルセパレータ６と、逆止弁７と、四方弁８と、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃと、レシーバ１０と、電子膨張弁１１と、空冷熱交換器１２と、気液分離器１３と、を備えている。空冷熱交換器１２には冷却ファン１２ａが設けられている。

圧縮機５はガス冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。オイルセパレータ６は圧縮機５から吐出された圧縮冷媒中のオイルを分離して圧縮機５に還流させる。逆止弁７は圧縮冷媒の逆流を防止する。

四方弁８は圧縮機５から吐出された圧縮冷媒を第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃに送る暖房運転モードと、空冷熱交換器１２に送る冷房運転モードとの２つのポジションを選択する弁である。図１では四方弁８が暖房運転モードのポジションとなっている。

第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、暖房運転モードにおいて圧縮冷媒を凝縮させ、冷房運転モードにおいて凝縮冷媒を気化させ、冷媒と水との熱交換を行う熱交換器である。そして、その凝縮熱または気化熱により、後述するように水系統Ｗを流れる水を加熱または冷却して暖房用の温水または冷房用の冷水を生成する。

第１水熱交換器９Ａは第１冷媒系統Ｒ１に含まれ、第２水熱交換器９Ｂは第２冷媒系統Ｒ２に含まれる。また、第３水熱交換器９Ｃは第３冷媒系統Ｒ３と第４冷媒系統Ｒ４とに共用される。即ち、第３水熱交換器９Ｃは２層構造となっており、第３冷媒系統Ｒ３の冷媒と第４冷媒系統Ｒ４の冷媒とが混合しないように通過するようになっている。
ここで、第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂのそれぞれの容量は、第３水熱交換器９Ｃの容量よりも小さく、例えば第３水熱交換器９Ｃの半分程度に設定されている。

レシーバ１０は凝縮した液冷媒を所定量貯留するタンクである。電子膨張弁１１は凝縮冷媒の圧力を低下させて気化を促進させる。空冷熱交換器１２は冷却ファン１２ａによって外気を送風されることにより、暖房運転モードにおいて凝縮冷媒を気化させ、冷房運転モードにおいて圧縮冷媒を凝縮させる熱交換器である。気液分離器１３は圧縮機５に吸入される前の冷媒を気液分離してガス冷媒のみを圧縮機５に吸入させる。

水系統Ｗは、水入口部１５と、水ポンプ１６と、水出口部１７と、水配管１８ａ〜１８ｄと、インバータ装置（第１インバータ装置）１９ａとを具備して構成されている。水系統Ｗは、水入口１５から流入する水を水出口部１７から排出する系統である。水入口部１５から延びる水配管１８ａに水ポンプ１６が接続され、水配管１８ａの端部から水配管１８ｂと水配管１８ｃとが分岐し、水配管１８ｂは第１水熱交換器９Ａの内部を通過し、水配管１８ｃは第２水熱交換器９Ｂの内部を通過している。また、水配管１８ｂと水配管１８ｃとの合流部から延びる水配管１８ｄが第３水熱交換器９Ｃの内部を通過して水出口部１７に繋がっている。

このため、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂは水配管１８ｂと水配管１８ｃとによって並列に接続され、第３水熱交換器９Ｃは第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂに対して水配管１８ｄにより直列に接続されている。

水系統Ｗにおいて、水ポンプ１６が作動すると、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃで熱交換される水は、水入口部１５から水ポンプ１６を経て水配管１８ａを通り、水配管１８ｂと水配管１８ｃとに均等に分流する。そして、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂを通過した後、水配管１８ｄに合流し、第３水熱交換器９Ｃを通過して水出口部１７に流れる。

暖房運転時には、第１冷媒系統Ｒ１の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第１水熱交換器９Ａに流れて水配管１８ｂを流れる水と熱交換され、第２冷媒系統Ｒ２の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第２水熱交換器９Ｂに流れて水配管１８ｃを流れる水と熱交換される。また、第３冷媒系統Ｒ３と第４冷媒系統Ｒ４の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第３水熱交換器９Ｃに流れて水配管１８ｄを流れる水と熱交換される。このように第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃにて高温な圧縮冷媒と熱交換した水は温水または熱水となり、水出口部１７から所定の暖房箇所もしくは給湯箇所に供給される。

冷房運転時には、圧縮機５により圧縮された高温高圧の圧縮冷媒は四方弁８を経て空冷熱交換器１２に流れ、冷却ファン１２ａによって外気を送風されることにより空気と熱交換して凝縮して液化し、レシーバ１０を経て第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃのいずれか、もしくは全てに流れて水系統Ｗの水配管１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを流れる水と熱交換して気化する。このように、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃにて低温な冷媒と熱交換した水は冷水となり、水出口部１７から所定の冷房箇所に供給される。

次に、図２及び図３を参照してチラーユニット１の構造について説明する。
図２は図１に示すチラーユニット１の外観を示す斜視図であり、図３は図２のチラーユニット１からパネルを取り外した状態を示した斜視図である。

図２に示すように、チラーユニット１の上部には、空冷熱交換器１２が設けられている。空冷熱交換器１２によって外部の空気と冷媒との間で熱交換が行われる。空冷熱交換器１２によって囲まれた内部空間には、図示しない複数の冷却ファン１２ａが設けられている。各冷却ファン１２ａによって、空冷熱交換器１２を通過する空気流れが形成される。チラーユニット１の天井面には、各冷却ファン１２ａを防護する複数のファンガード１２ｂが設けられている。各ファンガード１２ｂの下方に、冷却ファン１２ａが設けられている。

チラーユニット１の下部、すなわち空冷熱交換器１２の下方には、第１〜第４冷媒系統Ｒ１〜Ｒ４の一部及び水系統Ｗを収容する機械室２０が設けられている。機械室２０の正面には、取り外し可能とされた複数のパネル２１が設けられている。パネル２１を取り外すことによって、機械室２０の内部にアクセスすることができるようになっている。

図３には、機械室２０のパネル２１が取り外された状態が示されている。
図３に示すように、機械室２０の長手方向の一端には、水ポンプ１６と、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂとが配置されている。一方、機械室２０の長手方向の他端には、インバータ収容ボックス１９が配置されている。インバータ収容ボックス１９は、内部にインバータ装置１９ａと電源変換トランス１９ｂとを収容する筐体である。インバータ装置１９ａは、制御部（図示略）からの指令によって水ポンプ１６の回転周波数を制御するものである。電源変換トランス１９ｂは、商業用電源からの電圧を各種電気部品に適した電圧に降圧するものである。

機械室２０の図３における長手方向の他端には、ラック２２が設けられている。ラック２２は、上下方向に複数段の棚が設けられている。図３では、上方の２段の棚に、２台のアクティブフィルタ装置２３が収納されている。

図４に示すように、ラック２２は、左右前後にそれぞれ設けられた４本の支柱２２ａと、前後の支柱２２ａ間にわたって設けられた左右４本ずつの前後梁２２ｂと、後方の支柱２２ａの上部の間を左右方向にわたって設けられた１本の横梁２２ｃとを備える。支柱２２ａ、前後梁２２ｂ及び横梁２２ｃは、ぞれぞれ、溶接やボルト及びナット等によって固定されている。支柱２２ａの下端は、機械室２０の底面に対してボルト等によって固定される。

左右４本ずつの前後梁２２ｂによって４段の棚が設けられている。例えば、図４に示すように、最上段及び上から２段目に、アクティブフィルタ装置２３が収納される。
ラック２２は、上述のように骨組構造とされているので、上下に隣接する棚にわたって連続する空間が形成されるようになっている。したがって、図４に示したように、アクティブフィルタ装置２３の下方には２段分の空間を形成することができる。アクティブフィルタ装置２３の下方に、インバータ収容ボックス１９に収容されるインバータ装置１９ａと電源変換トランス１９ｂとが配置される。

アクティブフィルタ装置２３は、ラック２２の棚に対してボルト及びナット等によって着脱可能となっている。すなわち、アクティブフィルタ装置２３は、ラック２２の棚に対応した形状の筐体を有している。アクティブフィルタ装置２３は、圧縮機５を駆動するインバータ装置５ａ（図５参照）に入力される電流波形を補正し、インバータ装置５ａが発生する高調波成分を低減する。アクティブフィルタ装置２３の筐体内には、ノイズフィルタ、リップルフィルタ、リアクタ、コントロール基板、セメント抵抗、コンデンサ、冷却ファン等が設けられている。

図３に示すように、ラック２２と第１水熱交換器９Ａ及び第２水熱交換器９Ｂとの間には、他端から一端に向かって、液冷媒を貯留するレシーバ１０と、ガス冷媒中の液を分離する気液分離器１３と、気液分離器１３によって分離されたガス冷媒を圧縮する圧縮機５とが設けられている。圧縮機５は、例えばスクロール圧縮機とされ、スクロール機構を駆動するモータを備えている。モータは、インバータ装置５ａ（図５参照）によって回転周波数可変に制御される。

図５には、機械室２０内の各機器の配置が具体的に示されている。なお、同図では、図２及び図３とは一端及び他端の位置が逆になっている。
図５に示されているように、圧縮機５（ＣＭ１，ＣＭ２，ＣＭ３，ＣＭ４）は４台設けられている。また、レシーバ１０（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）と気液分離器１３（ＡＣ１，ＡＣ２，ＡＣ３，ＡＣ４）とインバータ装置５ａ（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３，ＩＮＶ４）も冷媒系統ごとに４台ずつ設けられている。また、第１水熱交換器９Ａ，第２水熱交換器９Ｂ，第３水熱交換器９Ｃ（ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４）が設けられている。

レシーバ１０とラック２２の後方には、チラーユニット１の運転を制御する４つの制御部（ＣＴＬ（Ａ），ＣＴＬ（Ｂ），ＣＴＬ（Ｃ），ＣＴＬ（Ｄ））３０が設けられている。各制御部３０は、圧縮機５の回転周波数を制御するインバータ装置５ａを備えている。インバータ装置５ａを備えた各制御部３０は、それぞれ、コントローラボックス（筐体）内に設けられている。

ラック２２の側方には、電源ボックス３５が設けられている。電源ボックス３５から各機器へと電力が供給される。ラック２２と電源ボックス３５との間、及び、ラック２２と各制御部３０との間には電気配線３７が設けられている。このように、ラック２２に隣接する位置に電源ボックス３５及び制御部３０を設けることとしたので、電気配線の接続が容易となる。したがって、ラック２２にアクティブフィルタ装置２３等の電気機器を設置した場合には、電気配線工事が容易となる。

図５に示すように、機械室２０の長手方向の他端部に配置されるラック２２には、インバータ装置１９ａと電源変換トランス１９ｂとを収容するインバータ収容ボックス１９が配置されている。したがって、圧縮機５は、機械室２０の長手方向において、一端側に配置される水ポンプ１６と他端側に配置されるインバータ装置１９ａとに挟まれた位置に配置される。

次に、本実施形態のチラーユニット１が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態のチラーユニット１によれば、通常であれば制御信号に対するノイズの影響等を考慮してインバータ装置１９ａを水ポンプ１６に隣接した位置に配置するところ、インバータ装置１９ａを水ポンプ１６から機械室２０の長手方向に離れた位置に敢えて配置するようにした。そのため、水ポンプ１６やその近傍の配管で水漏れが発生した場合に、インバータ装置１９ａから漏電する危険性が低下する。また、インバータ装置１９ａの周辺に暖房運転時に加熱源となる水ポンプ１６が存在しないため、水ポンプ１６及びそれに隣接した配管からの熱によってインバータ装置１９ａの周辺が温度上昇してインバータ装置１９ａの許容温度範囲を超える危険性が低下する。

本実施形態のチラーユニット１において、第１〜第４冷媒系統Ｒ１〜Ｒ４は、冷媒を圧縮する圧縮機５を有し、圧縮機５は、機械室２０の長手方向において、水ポンプ１６とインバータ装置１９ａとに挟まれた位置に配置される。
水ポンプ１６とインバータ装置１９ａとに挟まれた位置に圧縮機５を配置することで、インバータ装置１９ａを水ポンプ１６から十分に離れた位置に配置することができる。

本実施形態のチラーユニット１において、第１〜第４冷媒系統Ｒ１〜Ｒ４は、圧縮機５の回転周波数を制御するインバータ装置５ａと、インバータ装置５ａが発生する高調波成分を低減するアクティブフィルタ装置２３と、を有し、インバータ装置１９ａがアクティブフィルタ装置２３の下方に配置されている。
アクティブフィルタ装置２３の下方にインバータ装置１９ａを配置することで、アクティブフィルタ装置２３を配置するための空間の下方を活用して、インバータ装置１９ａを機械室２０に収容することができる。また、重量物であるインバータ装置１９ａを下方に配置することにより、チラーユニット１の重心が低くなり、チラーユニット１の姿勢が安定する。

本実施形態のチラーユニット１において、機械室２０には、アクティブフィルタ装置２３が収容可能な棚を高さ方向に複数段有するラック２２が設けられている。
アクティブフィルタ装置２３をラック２２に収納することで、機械室２０内の空間を有効に利用することができる。また、棚を高さ方向に複数段設けることとしたので、アクティブフィルタ装置２３を複数台収容する場合には、より有効に空間を利用することができる。

１ チラーユニット（熱交換ユニット）
５ 圧縮機
５ａ インバータ装置（第２インバータ装置）
６ オイルセパレータ
７ 逆止弁
８ 四方弁
９Ａ 第１水熱交換器
９Ｂ 第２水熱交換器
９Ｃ 第３水熱交換器
１０ レシーバ
１１ 電子膨張弁
１２ 空冷熱交換器
１２ａ 冷却ファン
１２ｂ ファンガード
１３ 気液分離器
１５ 水入口部
１６ 水ポンプ
１７ 水出口部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 水配管
１９ インバータ収容ボックス
１９ａ インバータ装置（第１インバータ装置）
２０ 機械室
２１ パネル
２２ ラック
２２ａ 支柱
２２ｂ 前後梁
２２ｃ 横梁
２３ アクティブフィルタ装置
３０ 制御部
３５ 電源ボックス
３７ 電気配線
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 冷媒系統
Ｗ 水系統

Claims (4)

1. 冷媒を循環させる冷媒系統と、
   水入口部から流入する水を水出口部から排出する水系統と、
   前記冷媒系統の一部及び前記水系統を収容する機械室と、を備え、
   前記冷媒系統が、前記冷媒と前記水との熱交換を行う水熱交換器を有し、
   前記水系統が、水ポンプと、該水ポンプの回転周波数を制御する第１インバータ装置と、を有し、
   前記水ポンプが前記機械室の長手方向の一端に配置され、前記第１インバータ装置が前記機械室の前記長手方向の他端に配置される熱交換ユニット。
2. 前記冷媒系統は、前記冷媒を圧縮する圧縮機を有し、
   前記圧縮機は、前記機械室の前記長手方向において、前記水ポンプと前記第１インバータ装置とに挟まれた位置に配置される請求項１に記載の熱交換ユニット。
3. 前記冷媒系統は、前記圧縮機の回転周波数を制御する第２インバータ装置と、該第２インバータ装置が発生する高調波成分を低減するアクティブフィルタ装置と、を有し、
   前記第１インバータ装置が前記アクティブフィルタ装置の下方に配置される請求項２に記載の熱交換ユニット。
4. 前記機械室には、前記アクティブフィルタ装置が収容可能な棚を高さ方向に複数段有するラックが設けられている請求項３に記載の熱交換ユニット。
   

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