JP6146966B2 - 冷温水熱源機 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルの冷媒から熱交換器を介して採熱し、冷温水を生成する冷温水熱源機に関するものであり、特に熱交換器の配管の占有スペースを減らすようにした冷温水熱源機に関する。

冷凍サイクルの冷媒から熱交換器を介して採熱し、冷温水を生成する冷温水熱源機において、熱交換器は冷媒流路が形成されたプレートと水熱媒流路が形成されたプレートを交互に積層したプレート式熱交換器が一般的であり、大型の冷温水熱源機では複数の冷凍サイクルを備え、それに対応する熱交換器も複数設けられる。

複数設けられた熱交換器の配置、水熱媒接続管との接続方法として、熱交換器の正面隅部の一側に２つの水熱媒管接続口を有する同一形状の熱交換器を２つ備え、水熱媒管接続口が正面に向く方向に、熱交換器を上下にずらして並置し、熱交換器の水熱媒管接続口とＴ字継手の２つの分岐口とを２つのＬ字管で接続し、水熱媒循環流路を構成する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−３０３７６２号公報（たとえば、４ページ参照）

上記従来の技術によれば、２つの熱交換器を上下にずらして並置し、Ｔ字継手とＬ字管を用いて接続するため、水熱媒接続管の形状が複雑となり、水熱媒接続管占有スペースが大きくなる。その結果、製品が大型化して製造コストが増大するという問題があった。さらに、熱交換器を３つ以上備える場合は２つの場合に比べ、より水熱媒接続管が複雑になるという問題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、水熱媒接続管の占有スペースを減らし、小型で製造コストの低い冷温水熱源機を提供することを目的としている。

本発明に係る冷温水熱源機は、冷媒流路が形成されたプレートと水熱媒流路が形成されたプレートとを交互に積層して形成された熱交換器を少なくとも二つ備えた冷温水熱源機において、熱交換器をプレート積層方向に並置し、隣り合う熱交換器において、それぞれの対向する面に設けられた水熱媒管接続口同士が水熱媒接続管で接続され、終端側の熱交換器へ向かう流路と終端側の熱交換器からの戻り流路とが形成され、水熱媒接続管で接続された複数の熱交換器のうちの終端側を後段側熱交換器とし、それ以外を前段側熱交換器として、後段側熱交換器は正面に冷媒管接続口と水熱媒管接続口とを有し、前段側熱交換器は正面に冷媒管接続口と水熱媒管接続口とを有し、裏面にも水熱媒管接続口を有し、前段側熱交換器において、水熱媒流路は、後段側熱交換器へ向かう流路と、冷媒と熱交換を行うプレート方向へ向かう流路とを分岐させる分岐部と、後段側熱交換器からの戻り流路と、プレート方向からの流路とを合流させる合流部とを有するものである。

本発明によれば、水熱媒接続管の占有スペースを減らし、小型で製造コストの低い冷温水熱源機が得られる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機のシステム構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の側面図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の裏面図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の側面図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の正面図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の抵抗係数比と流量比との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器と後段側熱交換器との接続図である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機のシステム構成図である。冷温水熱源機１は、熱交換ユニット２と室外ユニット３とを備えている。熱交換ユニット２は、水熱媒を貯留するバッファタンク４と、水熱媒を循環させる循環ポンプ５と、水熱媒と室外ユニット３から供給される冷媒との間で熱交換を行う前段側熱交換器６と、終端側に位置する後段側熱交換器７とを水熱媒接続管で接続して筐体に収容したものである。前段側熱交換器６と後段側熱交換器７は、同一面が同一方向を向くようにプレート積層方向に並置され、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９で接続される。

端末放熱器（図示しない）から戻された水熱媒は、一旦バッファタンク４に貯留され、循環ポンプ５により前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７に送られ、前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７で室外ユニット３の冷媒により加熱又は冷却された後、再び端末放熱器へ送られる。

室外ユニット３には、図示しないが室外熱交換器、圧縮機及び冷媒流量調整弁などが備えられ、これらは熱交換ユニット２の前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７と冷媒管とで接続される。冷凍サイクルの冷媒と熱交換ユニット２の水熱媒とは混じり合うことはないが、前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７により熱的に接続されている。なお、ここでは室外ユニット３が２機又は２系統の冷凍サイクルを備えている状態を例に示している。

図２は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の側面図、図３は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の正面図、図４は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の裏面図である。
前段側熱交換器６は、冷媒流路が形成されたプレートと水熱媒流路が形成されたプレートとを交互に積層して長方形厚板状に形成されている。図２〜４に示すように、正面右上隅部に放熱器吐出側水熱媒管接続口６１、正面右下隅部に放熱器戻り側水熱媒管接続口６２、裏面左上隅部に後段熱交換器戻り側水熱媒管接続口６３、裏面左下隅部に後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口６４、正面左上隅部にガス冷媒管接続口６５、正面左下隅部に液冷媒管接続口６６を備える。ガス冷媒管接続口６５及び液冷媒管接続口６６は本実施の形態では熱交換器６の正面に設けたが、裏面に設けてもよい。

水熱媒は前段側熱交換器６の内部で、放熱器吐出側水熱媒管接続口６１へ向かう流路と、後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口６４へ向かう流路に分岐される。また、放熱器戻り側水熱媒管接続口６２からの流路と、後段熱交換器戻り側水熱媒管接続口６３からの流路とが合流する構成となっている。

図５は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の側面図、図６は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の正面図である。後段側熱交換器７は前段側熱交換器６と同様に、冷媒流路が形成されたプレートと水熱媒流路が形成されたプレートとを交互に積層して長方形厚板状に形成されている。図６及び図７に示すように、正面右上隅部に前段放熱器吐出側水熱媒管接続口７１、正面右下隅部に前段熱交換器戻り側水熱媒管接続口７２、正面左上隅部にガス冷媒管接続口７５、正面左下隅部に液冷媒管接続口７６を備える。ガス冷媒管接続口７５及び液冷媒管接続口７６は本実施の形態では熱交換器６の正面に設けたが、裏面に設けてもよい。

以下、冷媒と水熱媒の熱交換時の流れについて説明する。
水熱媒を前段側熱交換器６の放熱器戻り側水熱媒管接続口６２から流入させ、前段側熱交換器６の内部で、放熱器吐出側水熱媒管接続口６１へ向かう流路と、後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口６４に向かう流路に分岐する。放熱器吐出側水熱媒管接続口６１へ向かう流路で、水熱媒は室外ユニット３から供給される冷媒との熱交換を行い、加熱又は冷却される。ここで、冷媒を前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７のガス冷媒管接続口６５、７５から流入させ、前段側熱交換器６及び後段側熱交換器７の液冷媒管接続口６６、７６から流出させた場合は加熱され、上記と逆向きに冷媒を流した場合は冷却される。
後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口６４へ向かった水熱媒は戻り側水熱媒接続管８を経由して、後段側熱交換器７の前段熱交換器戻り側水熱媒管接続口７２へ流入し、水熱媒は室外ユニット３から供給される冷媒との熱交換を行い、加熱又は冷却される。なお、加熱又は冷却における冷媒の流れは上記と同様である。後段側熱交換器７で加熱又は冷却された水熱媒は前段放熱器吐出側水熱媒管接続口７１から吐出側水熱媒接続管９を経由して、前段側熱交換器６の後段熱交換器戻り側水熱媒管接続口６３へ流入する。前段側熱交換器６では、後段側熱交換器７で加熱又は冷却された水熱媒と、前段側熱交換器６で加熱又は冷却された水熱媒が合流し、放熱器吐出側水熱媒管接続口６１から流出する。

以上のような冷媒と水熱媒の流れ方向とすることで、水熱媒の加熱時は、冷媒と水熱媒とが対向流となるため熱交換率が向上する。一方、水熱媒の冷却時は、冷媒と水熱媒とが平行流となるため熱交換率は悪化する。水熱媒の流れ方向を上記と逆にすると、水熱媒の冷却時に熱交換効率がよく、加熱時に熱交換効率が悪くなる。そのため、冷房運転と暖房運転のどちらの熱交換効率を優先するかによって、水熱媒の流れ方向を選択することになる。

前段側熱交換器６と後段側熱交換器７を流れる水熱媒の流量は、後段側熱交換器７の方が、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９の圧力損失が余分に加わるため少なくなる。前段側熱交換器６と後段側熱交換器７との流量差が大きくなると、２つの冷凍サイクルの動作条件に差異が生じ、結果として冷温水熱源機の効率低下、あるいは出力低下の要因となるため、水熱媒の流量は均一であることが望ましい。

圧力損失と流量の関係は一般的に、圧力損失＝抵抗係数×流量²が成り立つ。そのため流量は、前段側熱交換器６の圧力損失と、後段側熱交換器７、戻り側水熱媒接続管８、吐出側水熱媒接続管９の、３つの合計の圧力損失とが同一となるように分配される。戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９の抵抗係数を、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７の水熱媒流路の抵抗係数に比べ十分に小さくすることで、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７との流量差を小さくすることが可能となる。

図７は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の抵抗係数比と流量比との関係を示す図である。抵抗係数比が０（水熱媒接続管の抵抗係数が０）の場合、流量比１００％（前段側熱交換器６と後段側熱交換器７との流量が同一）となり、抵抗係数比が大きくなる（水熱媒接続管の抵抗係数が大きくなる）に従い、流量比が大きくなる（後段側熱交換器７の流量が少なくなる）。

本実施の形態では抵抗係数比が０．０１以下となるように、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９の抵抗係数と、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７の水熱媒流路の抵抗係数を設定し、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７との流量比を１％以下に抑えている。流量比が１％以下であれば、冷温水熱源機の効率や出力に影響のない範囲であることが実測等により分かっている。

また、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９の抵抗係数が小さくなる最適な形態として、前段側熱交換器６の放熱器戻り側水熱媒管接続口６２と後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口６４とを貫通させ、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９をそれぞれ直線形状としている。直線形状の水熱媒接続管とすることにより水熱媒接続管の占有スペースを減らし、小型で製造コストを安価とする効果もある。

図８は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器の斜視図、図９は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の後段側熱交換器の斜視図である。前段側熱交換器６のガス冷媒配管接続口６５にはガス冷媒管６７が接続され、液冷媒配管接続口６６には液冷媒管６８が接続される。ガス冷媒管６７は前段側熱交換器６の側面上に配置され、側面上部でＵ字形状に曲げられ、ガス冷媒配管接続口６５に接続される形状となっている。液冷媒管６８は前段側熱交換器６の表面上に配置され、表面下部で２回Ｌ字に曲げられ、液冷媒管接続口６６に接続される形状となっている。
後段側熱交換器７のガス冷媒配管接続口７５にはガス冷媒管７７が接続され、液冷媒管接続口７６には液冷媒管７８が接続される。ガス冷媒管７７と液冷媒管７８の形状は、前段側熱交換器６に接続するガス冷媒管６７及び液冷媒管６８と同一である。

図１０は、本発明の実施の形態に係る冷温水熱源機の前段側熱交換器と後段側熱交換器との接続図である。以上、図１０に示すように、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７とをプレート積載方向に並置し、直線形状の戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９で接続して水熱媒循環流路を構成し、冷媒管を前段側熱交換器６と後段側熱交換器７とで同一形状とすることにより、熱交換器と配管の占有スペースを小さくすることができ、小型化、低コスト化した冷温水熱源機を得ることができる。

さらに抵抗係数比が０．０１以下となるように、戻り側水熱媒接続管８と吐出側水熱媒接続管９の抵抗係数と、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７の水熱媒流路との抵抗係数を設定することにより、前段側熱交換器６と後段側熱交換器７を流れる水熱媒の流量の均一化が図れ、流量差によって生じる効率低下、あるいは出力低下を招くおそれのない冷温水熱源機を得ることができる。

なお、本実施の形態では熱交換器が２つの場合について述べたが、熱交換器が３つ以上の場合も同様な構成とすることで、同様の効果を実現することが可能である。

１ 冷温水熱源機、２ 熱交換ユニット、３ 室外ユニット、４ バッファタンク、５ 循環ポンプ、６ 前段側熱交換器、７ 後段側熱交換器、８ 戻り側水熱媒接続管、９ 吐出側水熱媒接続管、６１ 放熱器吐出側水熱媒管接続口、６２ 放熱器戻り側水熱媒管接続口、６３ 後段熱交換器戻り側水熱媒管接続口、６４ 後段熱交換器吐出側水熱媒管接続口、６５ ガス冷媒管接続口、６６ 液冷媒管接続口、６７ ガス冷媒管、６８ 液冷媒管、７１ 前段放熱器吐出側水熱媒管接続口、７２ 前段熱交換器戻り側水熱媒管接続口、７５ ガス冷媒管接続口、７６ 液冷媒管接続口、７７ ガス冷媒管、７８ 液冷媒管。

Claims (5)

1. 冷媒流路が形成されたプレートと水熱媒流路が形成されたプレートとを交互に積層して形成された熱交換器を少なくとも二つ備えた冷温水熱源機において、
   前記熱交換器をプレート積層方向に並置し、
   隣り合う前記熱交換器において、それぞれの対向する面に設けられた水熱媒管接続口同士が水熱媒接続管で接続され、終端側の前記熱交換器へ向かう流路と終端側の前記熱交換器からの戻り流路とが形成され、
   前記水熱媒接続管で接続された複数の前記熱交換器のうちの終端側を後段側熱交換器とし、それ以外を前段側熱交換器として、
   前記後段側熱交換器は正面に冷媒管接続口と水熱媒管接続口とを有し、
   前記前段側熱交換器は正面に冷媒管接続口と水熱媒管接続口とを有し、裏面にも水熱媒管接続口を有し、
   前記前段側熱交換器において、前記水熱媒流路は、
   前記後段側熱交換器へ向かう流路と、冷媒と熱交換を行うプレート方向へ向かう流路とを分岐させる分岐部と、
   前記後段側熱交換器からの戻り流路と、プレート方向からの流路とを合流させる合流部とを有する
   ことを特徴とする冷温水熱源機。
2. 前記前段側熱交換器及び前記後段側熱交換器は、水熱媒管接続口を二つ有し、
   前記前段側熱交換器の一方の水熱媒管接続口と前記後段側熱交換器の一方の水熱媒管接続口、及び、前記前段側熱交換器のもう一方の水熱媒管接続口と前記後段側熱交換器のもう一方の水熱媒管接続口、を直線形状の前記水熱媒接続管でそれぞれ接続した
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷温水熱源機。
3. 前記後段側熱交換器及び前記前段側熱交換器の正面に設けられた前記冷媒管接続口において、
   ガス冷媒用と液冷媒用との２つを有し、
   それぞれの前記冷媒管接続口に接続される冷媒管の形状が、前記後段側熱交換器及び前記前段側熱交換器内で全て同一である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷温水熱源機。
4. 前記前段側熱交換器及び前記後段側熱交換器は長方形厚板状を有し、
   前記前段側熱交換器のガス冷媒用の前記冷媒管接続口には前段側ガス冷媒管が接続されており、液冷媒用の前記冷媒管接続口には前段側液冷媒管が接続されており、
   前記前段側ガス冷媒管は前記前段側熱交換器の側面上に配置され、側面上部でＵ字形状に曲げられ、ガス冷媒用の前記冷媒管接続口に接続される形状となっており、
   前記前段側液冷媒管は前記前段側熱交換器の表面上に配置され、表面下部で２回Ｌ字に曲げられ、液冷媒用の前記冷媒管接続口に接続される形状となっており、
   前記後段側熱交換器のガス冷媒用の前記冷媒管接続口には後段側ガス冷媒管が接続されており、液冷媒用の前記冷媒管接続口には後段側液冷媒管が接続されており、
   前記後段側ガス冷媒管は前記後段側熱交換器の側面上に配置され、側面上部でＵ字形状に曲げられ、ガス冷媒用の前記冷媒管接続口に接続される形状となっており、
   前記後段側液冷媒管は前記後段側熱交換器の表面上に配置され、表面下部で２回Ｌ字に曲げられ、液冷媒用の前記冷媒管接続口に接続される形状となっている
   ことを特徴とする請求項３に記載の冷温水熱源機。
5. 水熱媒接続管抵抗係数と熱交換器水熱媒流路抵抗係数との比である抵抗係数比において、
   前記抵抗係数比が０．０１以下となるように、前記水熱媒接続管抵抗係数と前記熱交換器水熱媒流路抵抗係数を設定した
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷温水熱源機。

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