JP2023010567A - ヘッダ - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダ内において水をより確実に混合して、それぞれの空調機械等毎や熱交換器毎に、より均一温度な水を提供して、空調設備全体としてより安定し、効率的な運転を行うためのヘッダを提供する。【解決手段】水を導入し、これを分配するヘッダであって、両端が封止された外管１１と、外管内に設置された、一方端が封止されて、他方端が開放された内管１２を有する二重管を有し、外管の長さ方向と内管の長さ方向は平行であり、外管の側面に設けられて、ヘッダの外部から水を外管の中に導入する１つ以上の導入口１４と、内管の側面に分岐管１３を設け、その分岐管１３は外管の外部に連通して、内管の内部からヘッダの外部に水を導出する１つ以上の導出口１６を有し、外管内部であり、かつ内管の外部にある水が、内管の開放された他方端から内管の内部に流入し、該内管に設けられた導出管から、ヘッダの外部に水が流出する構造を有するヘッダ。【選択図】図２

Description

本発明は、空調設備等の熱源設備に設置される、通水をするための装置において、通水の経路を系統に分けて運転するためのヘッダ等に使用される設備に関する。

空調設備は、一般に屋外機等の熱交換器と、室内に設置した装置と、これらを接続して、水等を循環させるための設備を有する。
例えば小さいビルであれば、少数の屋外機等と少数の室内に設置した装置からなり、これらを接続して水等を循環させる設備により運転を行う。
例えば特許文献１及び２に示すように、複数の冷凍機（室外機等）と複数の室内に設置した装置（エアコン等）を、往ヘッダと還ヘッダを介した循環路で接続して、複数の系統にして空調設備全体として運転を行っている。

特開２０１０－２５５９８５号公報 特開２０１７－１２９３４０号公報

上記のような空調設備において、複数の系統にするためのヘッダは、これまでは一つの管からなり、その一方の管端付近に導入口を設け、他方の管端付近には導出口を設けている。
この場合、例えば複数の冷凍機等の熱交換器等から出た水を、ヘッダのそれぞれに対応する導入口に接続し、室内の空調機械等の負荷装置に向けて水を供給する管を、導出口に接続している。
この際のヘッダの役割は、接続した負荷機器に送る水の温度等の調整を行うものである。しかし、このようなヘッダ内において、複数の熱交換器等から導入した水を完全に撹拌して均一温度にすることは困難である。つまり、ヘッダの一端側の複数箇所から流入した水は、ヘッダ内において、複数箇所毎に層を形成した層流になりやすく、ヘッダ内における混合は部分的になりやすい。そのため、複数箇所から流入する水の水温が、ヘッダ内における流れ中のそれぞれの水の層に反映するに過ぎず、ヘッダ内の水の温度にムラが残り、温度が不均一なままである。
このように、均一温度にならない場合には、空調設備内の室内の空調機械等毎に供給される水の性質や温度が異なり、各空調機械間での安定した運転が困難になる可能性がある。また例えばヘッダ内での冷水の撹拌・混合が十分ではなく、十分に低温になっていない冷水を空調機械に供給すると空調機械が運転できない可能性がある。
また、各熱交換機に送る水についても、互いに同じ温度にできない場合には、熱交換器毎に係る負荷が均一ではなく、結果的に熱交換器間での負荷も均一ではなくなる可能性がある。
さらに、空調機械から送られてきた冷水のヘッダ内での撹拌・混合が十分ではなく、温度が高い冷水と十分に混合できなかった、温度が低いままの冷水が、ヘッダから冷凍機に供給された場合には、冷凍機が冷水を作る必要がないとして運転を停止する可能性がある。

本発明は、ヘッダ内において水をより確実に混合して、それぞれの空調機械等毎や熱交換器毎に、より均一温度な水を提供して、空調設備全体としてより安定し、効率的な運転を行うことを目的とする。

１．水を導入し、これを分配するヘッダであって、
両端が封止された外管と、外管内に設置された、一方端が封止されて、他方端が開放された内管を有する二重管を有し、
外管の長さ方向と内管の長さ方向は平行であり、
以下Ａ．又はＢ．であるヘッダ。
Ａ．外管の側面に設けられて、ヘッダの外部から水を外管の中に導入する１つ以上の導入口と、
内管の側面に分岐管を設け、その分岐管は外管の外部に連通して、内管の内部からヘッダの外部に水を導出する１つ以上の導出口を有し、
外管内部であり、かつ内管の外部にある水が、内管の開放された他方端から内管の内部に流入し、該内管に設けられた導出管から、ヘッダの外部に水が流出する構造を有するヘッダ。
Ｂ．外管の側面に設けられて、ヘッダの外部に水を導出する１つ以上の導出口と、
内管の側面に分岐管を設け、その分岐管は外管の外部に連通して、ヘッダの外部から水を内管の中に導入する１つ以上の導入口、及び／又は、内管を外管の端部に固定させた箇所に設けた導入口を有し、
内管の内部にある水が、内管の開放された他方端から外管と内管の間に流出し、該外管に設けられた導出管から、ヘッダの外部に水が流出する構造を有するヘッダ。
２．外管の側面の長さ方向に並べて複数の導入口を形成し、及び／又は、内管の側面の長さ方向に並べて複数の分岐管を設け、それらの分岐管はそれぞれ外管の外部に連通して、内管の内部からヘッダの外部に水を導出する複数の導出口を有し、複数の導入口は全て同じ開口径ではなく、及び／又は、複数の導出口は全て同じ開口径ではない、１に記載のヘッダ。
３．１つ以上の導出口はチラーの入口側に接続されるためのものである１又は２に記載のヘッダ。

本発明によれば、ヘッダ内において水をより確実に混合して、それぞれの空調機械等毎や熱交換器毎に、より均一温度な水を提供して、空調設備全体としてより効率的な運転を行うことができる。

本発明のヘッダを使用する空調設備等のシステムを示す図 本発明のヘッダの斜視図 本発明のヘッダの側面図 本発明のヘッダの断面図 本発明のヘッダの断面図 本発明のヘッダの斜視図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、ヘッダを使用する系が、空調設備等に用いるシステムである場合を示す図である。
この例では、本発明のヘッダは、冷水等を熱媒として、熱媒を所定の温度に冷却する冷凍機と、ヘッダとエアコン等を含むシステムであって、その熱媒が循環する際の経路の一部分に採用されるヘッダに関する。

（ヘッダを使用する系の例）
図１において、回転数を制御しても良い一次ポンプの出口側に、冷凍機、チラー、モジュールチラー等（以下、「冷凍機」とすることがある。）の入口側を接続する。なお、各図による説明は冷水を例にしたが、温水を使用する系でも良い。
この一次ポンプと冷凍機の組み合わせは、図に示すように３組を並列に設けることができる。また、２組を並列に設けても良く、４組以上を並列に設けても良い。設ける組数は、熱源システムの規模等によって任意に決めることができる。また、一次ポンプを使用してもしなくても良い。

それらの冷凍機で冷却された冷水等は各管路を通じて、往ヘッダであるヘッダ１内に導入される。このヘッダ内において、各冷凍機から供給される冷水等が混合される。この混合によって、各冷凍機から供給された冷水間での温度差が解消されて、温度が均一化される。
さらに、図１に示すように、ヘッダ１を１つ設置するのではなく、必要に応じて複数のヘッダ１を直列に接続して、冷水を複数のヘッダ１内に流通させても良い。複数のヘッダを直列に接続することにより、１つのヘッダでは各管路を流通する冷水間の温度差が解消しない場合でも、確実に解消できる。

続いて、ヘッダ１から２次ポンプにより負荷装置に向けて冷水等が供給される。このとき複数の負荷装置の数に対応するように、ヘッダ１の導出口に接続された管路のそれぞれが、２次ポンプを介して負荷装置（ローカル側）に接続される構造を有する。
ここで使用されるヘッダ１は、例えば建物内において、冷凍機等の熱源から供給された冷水を導入して、各階に設置した空調機械等の負荷装置に向けて導出を行うための系に使用される。
負荷装置としては、例えば建物内の各所に設置されたエアコン、冷蔵庫、産業用機械等、冷却用の媒体を使用する装置、または上記のように冷水を循環させるものだけではなく、温水を循環させる系にも採用できる。また負荷装置として、暖房用機器、加熱装置等の公知の装置を採用できる。

負荷装置の下流側は、例えばバルブ等を介して、還ヘッダであるヘッダ２と管路で接続される。ここで使用されるヘッダ２は、例えば建物内において、各負荷装置から帰ってくる冷水を導入して、冷凍機等の熱源に向けて導出を行うために使用される。
このヘッダ２は、複数の負荷装置から還流された複数の系統の冷水（負荷装置にて熱交換されて実際にては冷水でないときもある）を、ヘッダ２が有する対応する複数の導入口から内部に導入する。
そしてヘッダ２内において、十分に混合して、ヘッダ２の導出口から冷水を冷凍機に向けて、場合により１次ポンプを介して循環させる。なお、各系統から還流してきた冷水は負荷装置の運転状況等により各管路間での温度は必ずしも同じでない。
このため、ヘッダ２内において冷水を混合させることにより、その下流の複数の冷凍機に冷水を供給する際に冷凍機の間で導入する水の温度がばらつくことがない。よって、各冷凍機をより均一に運転でき、そのための制御をより簡便にすることができる。
さらに、図１に示すように、ヘッダ２を１つ設置するのではなく、必要に応じて複数のヘッダ２を直列に接続して、冷水を複数のヘッダ２内に流通させても良い。

Ａ．であるヘッダの例
この図１に示すように、冷凍機と負荷装置との間を循環する冷却水に対して、複数の冷凍機や、複数の負荷から出たそれぞれの管内の冷水を、一旦混合して均一な温度にした上でさらに下流の装置に分配するために、各ヘッダを採用する。
また、ヘッダ１及びヘッダ２を直接接続するバランス管３を設けても良い。バランス管３により、ヘッダ１とヘッダ２の間の冷水の流量に差が生じたとき、ヘッダ１からヘッダ２に向けて、又はヘッダ２からヘッダ１に向けて、流量のバランスを取るために、バランス水流が発生する。
さらに、図１に示すように、ヘッダの下流のポンプから出た冷水をヘッダに返送する管を設けることができる。同時にポンプから出た冷水の温度を検知し、その結果に基づき返送を制御して、目的とする均一な温度にすることもできる。なお、図１ではヘッダの下流の管のうち１つの管のみに返送する管を設置したが、全ての管に設置しても良い。

図１にて示した本発明のヘッダについて以下に詳細に記載する。
図２には、本発明のヘッダの斜視図を示す。左下から右上に伸びた管がヘッダの本体であり、実線で示した外管１１内に、破線で示した内管１２が設置されている。なお外管１１の端部のフランジは開口した状態で示されているが、設置して運転を行う際にはこのフランジは密閉される。
内管１２の、図２中の左下の端部は開口しており、右上の他端は密閉している。その密閉にあたり、外管１１の端部のフランジを密閉した部材により密閉されていても良く、外管１１の端部のフランジを密閉した部材と隣接又は密着した部材により密閉されていても良い。
外管の内径と内管の外径、さらに内管の内径は、設置する全体の系の規模等によって任意に決定できる。外管内壁と内管の外面の間の流路の断面積と、内管内の流路の断面積の比も同様にして任意に決定できる。例えば、外管の内径（直径）は１００～５００ｍｍ、内管の外径（直径）は５０～４００ｍｍである。また例えば、外管内壁と内管の外面の間の流路の断面積１と、内管内の流路の断面積２の比は、断面積１：断面積２＝１：２～２：１が好ましく、１：１．５～１．５：１がより好ましい。
内管の外管１１の側部には、複数の分岐管１３とその端部に導入口１４が形成されている。これらの分岐管１３の内径や導入口１４の開口部の内径は、全て同じ径でも良く、異なる径でも良い。
また内管１２の側部にも複数の分岐管１５が設けられ、その分岐管１５の端部に導出口１６が形成されている。これらの分岐管１５の内径や導出口１６の開口部の内径は、全て同じ径でも良く、異なる径でも良い。
またヘッダ１の下流に設置した各ポンプの下流と、対応するヘッダ１へ冷水を供給する配管との間に差圧配管を設けてもよい。同様にヘッダ２の下流に設置した各ポンプの下流と、対応するヘッダ２へ冷水を供給する配管との間に差圧配管を設けてもよい。このような差圧配管を用いて一部の冷水を循環させることにより、各冷凍機や、各負荷装置に対してより均一な温度の冷水を供給することができる。

図２に示したヘッダの側面図を図３として示す。
導入口１４から導入された冷水は、外管１１の内面と内管１２の外面との間を、内管１２の開口に向けて流通する。内管１２の開口付近の冷水は、その開口から内管１２の内部に向けて経路を変えて移動することになる。ここで冷水は移動する方向を１８０度転換されるため、特に大きく撹拌されることになる。この撹拌によって、複数の導入口１４から導入された、温度が互いに異なる冷水が、強く撹拌されることになり、内管１２内を流通する際には、冷水全体を均一な温度にすることができる。
そして内管１２内の冷水は、内管の側部に設けた複数の分岐管１５に分配されて、それぞれの導出口１６から、ヘッダの外へと供給される。

図３に示すように、導入口１４が設けられた分岐管１３の管径は全て同じでなくても良く、全て同じであってもよい。ポンプの接続箇所にも影響されるが、導出口１６から最も遠い分岐管１３の管径を最も大きくすることもでき、さらに導出口１６に近い分岐管１３の径を小さくすることもできる。このとき、導出口１６の先に冷水を吸引するポンプを接続し、それにより、ヘッダ内の冷水を流通させる際でも、各導入口１４から導入する冷水の流量を均一にしやすい。

図３のヘッダを図３に平行な面で切断した断面図を図４として示す。この図４内に矢印で示すように、導入口１４から導入された冷水は、分岐管１３を通過して外管１１の内面と内管１２の外面との間隙を流通する。この間隙を流通することにより、冷水はある程度撹拌されて、温度もある程度均一に近づく。次いで、その冷水は、ヘッダの端部付近のヘッダ内部に設置した内管１２の開口部１７から内管１２内に入るように流通し、その冷水が流通する向きを１８０度転換することになる。そしてこの箇所において、冷水が特に混合されて、どの場所を流通する冷水も均一な温度を有することになる。

図３のヘッダを図３に垂直な面で切断した断面図を図５として示す。この図５において導入口１４を破線で示しているが、この導入口１４は、図５を見る者の側に向けて開いた導入口１４である。
上記図４の説明する冷水の流れにより、内管１２内に入った冷水は、内管１２の側部に接続し、かつ直接外管１１の外部、つまりヘッダの外部に向けて冷水を供給できるように、導出口１６を形成した複数の分岐管１５内に流通する。そして分岐管１５内の水は導出口１６からを通じて、さらにその先に供給される。
ここで、各分岐管１５及び導出口１６の内径は全て同じでなくても良く、全て同じであってもよい。導入口１４から最も遠い分岐管１５の管径を最も大きくすることもでき、さらに導入口１４に近い分岐管１５の径を小さくすることもできる。このとき、導入口１４の先に冷水をヘッダに向けて供給するポンプを接続し、それにより、ヘッダ内の冷水を流通させる際でも、各導入管１４から導入する冷水の量を均一にしやすい。
又は上記の冷水に代えて温水を導入口１４からヘッダ内に供給してもよい。

Ｂ．であるヘッダの例
以上の記載は、外管１１に設けた分岐管１３に導入口１４を設けたこととし、内管１２に設けた分岐管１５に導出口１６を設けたこととしたものである。
図６に示すように、これとは逆に、ヘッダの構造を変えずに、外管１１に設けた分岐管１３に導出口１６を設けたこととし、内管１２に設けた分岐管１５に導入口１４を設けたこととしても良い。この場合、導出口１６に冷凍機、チラー、モジュールチラー等の入口側を接続する。
このとき、複数の分岐管１３及び複数の導出口１６の内径は全て同じでなくても良く、全て同じであってもよい。導入口１４から最も遠い分岐管１３の管径を最も大きくすることもでき、さらに導入口１４に近い分岐管１３の径を小さくすることもできる。導入口１４の先に接続した負荷装置から返送されてきた水をヘッダ内に導入し、それにより、各導入口１４から導入する水をヘッダ内にて混合して温度を均一にしやすい。負荷装置から返送された水の温度を外気温に近づける等のために、あえて管長を長くする必要がなくなる可能性がある
さらに、内管１２内への水の供給を、内管１２に設けた分岐管１５に導入口１４を介して行わず、ヘッダの端部であって、内管１２を外管１１の端部に固定させた箇所に設けた導入口１４Ａから行うこともできる。このときには、内管１２に設けた分岐管１５を介して導入口１４から水を供給しないか、又は、内管１２に分岐管１５を介した導入口１４を設けなくてもよく、又は分岐管１５を介して導入口１４から水を供給することを併用しても良い。

１ ヘッダ
２ ヘッダ
３ バランス管
１１ 外管
１２ 内管
１３ 分岐管
１４ 導入口
１４Ａ 内管１２を外管１１の端部に固定させた箇所に設けた導入口
１５ 分岐管
１６ 導出口
１７ 開口部

Claims (3)

1. 水を導入し、これを分配するヘッダであって、
   両端が封止された外管と、外管内に設置された、一方端が封止されて、他方端が開放された内管を有する二重管を有し、
   外管の長さ方向と内管の長さ方向は平行であり、
   以下Ａ．又はＢ．であるヘッダ。
   Ａ．外管の側面に設けられて、ヘッダの外部から水を外管の中に導入する１つ以上の導入口と、
   内管の側面に分岐管を設け、その分岐管は外管の外部に連通して、内管の内部からヘッダの外部に水を導出する１つ以上の導出口を有し、
   外管内部であり、かつ内管の外部にある水が、内管の開放された他方端から内管の内部に流入し、該内管に設けられた導出管から、ヘッダの外部に水が流出する構造を有するヘッダ。
   Ｂ．外管の側面に設けられて、ヘッダの外部に水を導出する１つ以上の導出口と、
   内管の側面に分岐管を設け、その分岐管は外管の外部に連通して、ヘッダの外部から水を内管の中に導入する１つ以上の導入口、及び／又は、内管を外管の端部に固定させた箇所に設けた導入口を有し、
   内管の内部にある水が、内管の開放された他方端から外管と内管の間に流出し、該外管に設けられた導出管から、ヘッダの外部に水が流出する構造を有するヘッダ。
2. 外管の側面の長さ方向に並べて複数の導入口を形成し、及び／又は、内管の側面の長さ方向に並べて複数の分岐管を設け、それらの分岐管はそれぞれ外管の外部に連通して、内管の内部からヘッダの外部に水を導出する複数の導出口を有し、複数の導入口は全て同じ開口径ではなく、及び／又は、複数の導出口は全て同じ開口径ではない、請求項１に記載のヘッダ。
3. １つ以上の導出口はチラーの入口側に接続されるためのものである請求項１又は２に記載のヘッダ。
   
   
   

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