JP6310077B2

JP6310077B2 - 熱源システム

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Publication number: JP6310077B2
Application number: JP2016530742A
Authority: JP
Inventors: 和之石田; 靖大越; 拓也伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: EP3165849A1; CN106461276A; WO2016002023A1; EP3165849B1; EP3165849A4; JPWO2016002023A1

Description

本発明は、例えば冷温水やブライン等の熱媒体に冷温熱を供給する熱源システムに関するものである。

従来、オフィスビルなどの建物において、空気調和機を各階に設置し、これらの空気調和機に熱源装置から冷水や温水等の熱媒体を供給して、空調空気を生成し空調対象室に供給する冷温水供給システムが広く採用されている。ここで、熱源装置とは、主にヒートポンプ式冷凍サイクルを用いて冷水または温水を生成する装置を指す。また、冷水、温水とは冷凍サイクルの蒸発器または凝縮器で熱交換して生成される熱媒体を指す（例えば特許文献１を参照）。
また、このような熱源装置においては、熱源装置１台の能力を超える量の熱媒体を加熱又は冷却する必要が有る場合、複数の熱源装置を複数台設置し、各々の熱媒体熱交換器を熱媒体配管に接続し、各々の熱源装置で加熱又は冷却された熱媒体を熱媒体配管に集約することがある。

このように複数の熱源装置を連結設置する場合、各熱源装置と熱媒体配管の接続工事における省工事化（工事工数の削減）や、設置スペースの省スペース化が課題となる。このため、接続工事の省工事化や設置スペースの省スペース化を図った従来の熱源装置として、例えば「ヒートポンプ装置１の左右に出入口配管継ぎ手を設置する。または、操作部を設置した側面に隣接した左右側面の一方の側面の近傍に熱交換器を配し、他方の側面の近傍に圧縮機を配し、出入口配管継ぎ手を一方の側面に設置した第１のヒートポンプ装置と、第２のヒートポンプ装置を備え、第２のヒートポンプ装置を構成する圧縮機、熱交換器、冷媒回路、出入口配管継ぎ手は、第１のヒートポンプ装置のそれらを第１のヒートポンプ装置底面中心を通る法線に関してほぼ１８０度回転させた態様に配置されており、それら第１と第２のヒートポンプ装置１Ａ，１Ｂを出入口配管継ぎ手を有する側面を向かい合わせて少なくとも１組配置する。」という構成のものが提案されている（特許文献２を参照）。

特開２０１３−２９２１５号公報特開２００８−２６７７２４号公報（要約、図１〜５）

特許文献２に記載の熱源装置を用いることにより、各熱源装置を接続する熱媒体配管の長さを削減することが可能となる。このため、設置スペースの省スペース化に対して一定の効果が得られるようになった。しかしながら、特許文献２に記載の熱源装置は、熱媒体熱交換器の接続口がケーシングの外部に突出しており、当該接続口と熱媒体配管との接続はケーシングの外部となっている。したがって、各熱源装置を接続する熱媒体配管が熱源装置の外部に設置されることとなるため、特に冷温水を送水する口径の大きい冷温水配管の取り回しや納まりについて現場施工での工夫が必要となり、熱源装置の設置に制約を与えてしまう問題があった。また、特許文献２に記載の熱源装置は、各熱源装置を接続する熱媒体配管が熱源装置の外部に設置されることとなるため、設置現場での熱媒体配管の接続工事の工数はあまり削減されず、依然として省工事化が要望されているという課題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、熱源機器をコンパクトに構成するとともに、熱源機器を屋上や機械室に設置する際の冷温水配管の取り回しや納まりを簡易化して設置スペースの最小化を図り、また、現場施工での手間を軽減することが可能な熱源システムを提供することを目的とする。

本発明に係る熱源システムは、圧縮機と、熱源熱交換器と、膨張弁と、熱媒体熱交換器とを接続した冷凍サイクルを備え、少なくとも前記熱源熱交換器を収納する熱交換室と、少なくとも前記圧縮機と前記熱媒体熱交換器とを収納する機械室と、を有する熱源装置を複数備え、前記熱源装置の前記熱媒体熱交換器には、熱媒体配管が接続され、前記熱媒体配管の一端部は、前記機械室内に位置し、前記熱媒体配管の他端部は、前記機械室内に位置し、前記熱媒体配管の一端部と、該一端部に隣接する前記熱媒体配管の他端部とは、短管を介して接続され、前記熱媒体配管の一端部と前記短管との接続部を構成する継ぎ手、及び、前記一端部に隣接する前記熱媒体配管の他端部と前記短管との接続部を構成する継ぎ手は、前記機械室内に格納される位置に配置されたものである。

本発明に係る熱源システムによれば、熱媒体配管の一端部は、機械室内に配置され、熱媒体配管の他端部は、機械室外に配置されているため、熱源機器を屋上や機械室に設置する際の熱媒体配管の取り回しや納まりを簡易化して設置スペースの最小化を図り、また、現場施工での手間を軽減することができる。

実施の形態１に係る熱源装置の熱回路を示した構成図である。実施の形態１に係る熱源装置の単体の側面断面図である。実施の形態１に係る別の例における熱源装置の単体の正面断面図である。実施の形態１に係る熱源装置の凝縮器の斜視図である。実施の形態１に係る熱源装置を複数接続した際の熱回路を示した構成図である。実施の形態１に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。実施の形態１に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。実施の形態２に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。実施の形態２に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。実施の形態３に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。実施の形態３に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
本発明の熱源装置ＲＳは、冷温水供給システムの熱源として機能している。
以下、熱源装置ＲＳにより冷水を生成する構成を主に説明する。

図１は、実施の形態１に係る熱源装置の熱回路を示した構成図である。
図２は、実施の形態１に係る熱源装置の単体の側面断面図である。
図３は、実施の形態１に係る別の例における熱源装置の単体の正面断面図である。
実施の形態１に係る熱源装置ＲＳは、図１に示すような熱回路を内蔵している。熱回路は、冷凍サイクル装置を有し、圧縮機１、凝縮器２、空冷凝縮器用送風機３、膨張弁４、蒸発器５を冷媒が順に循環するように冷媒配管で接続して構成されている。冷凍サイクル装置の蒸発器５には、冷水配管６における冷水入口配管６ａと冷水出口配管６ｂとが接続されている。

熱源装置ＲＳは、図２、３に示すように下部に圧縮機１、蒸発器５、冷水配管６等を収納する略直方体形状の機械室１０が設けられている。また、機械室１０の上方には、側面視で上方が広がる形状の熱交換室１１が設けられている。熱交換室１１には、側面視で上方が広がるように一対の凝縮器２が設けられている。熱交換室１１の上面は天板１１ａにより閉塞されており、天板１１ａには熱交換室内の空気を排気する空冷凝縮器用送風機３が設置されている。

蒸発器５に接続された冷水配管６は、図２、３に示すように機械室１０を側面視で水平方向に貫通するように配置されている。図２に示すように冷水入口配管６ａ、冷水出口配管６ｂの一端部は共に機械室１０の対向する側面部１０ａの一面側において機械室１０外に突出した位置に設けられている、また、冷水入口配管６ａ、冷水出口配管６ｂの他端部は共に対向する側面部１０ａの他面側において機械室１０内に格納された位置に設けられている。

このように、機械室１０内に冷水配管６を貫通させることで、外部配管を施工する手間が無くなるとともに、熱源装置ＲＳの周囲に冷水配管６を設けるスペースが不要になるため、設置スペースに制約のある屋上や機械室内でも熱源装置ＲＳの設置が容易になる。

ここで、凝縮器２の構成について説明する。
図４は、実施の形態１に係る熱源装置の凝縮器の斜視図である。
凝縮器２は、図４に示すように、例えば複数の冷媒流路２ｂが開口する扁平管２ａと、扁平管２ａの間に接合された平板状の放熱フィン２ｃとにより構成されたフィンチューブ熱交換器である。扁平管２ａと放熱フィン２ｃとは、例えば銅やアルミにより形成され、熱的に接続されている。
扁平管２ａは、円管よりも段ピッチを小さく設置することができるため、フィンチューブ熱交換器内で高密度に実装することが可能である。

以下の式１は、熱交換器全体の熱交換性能（Ａｏ・Ｋ）を示したものである。なお、空気側の伝熱面積をＡｏ、熱交換器の外表面積基準の熱通過率をＫとする。
１／Ａｏ・Ｋ＝１／Ａｏ・αａｏ＋１／Ａｃ・αｃ＋１／Ａｉ・αｉ（式１）

空気側の熱交換性能（Ａｏ・αａｏ）は、空気側の伝熱面積をＡｏ、空気側の熱伝達率をαａｏとすると、扁平管２ａの設置密度が高くなるため空気側の伝熱面積をＡｏが大きくなり向上する。

また、放熱フィン２ｃと扁平管２ａとの接触熱交換性能（Ａｃ・αｃ）は、相互間をろう付けするため熱伝達率αｃが大きくなり向上する。
さらに、管内熱交換性能（Ａｉ・αｉ）は、冷媒側の伝熱面積をＡｉ、冷媒側の熱伝達率をαｉとすると、扁平管２ａの設置密度が高くなり、また、冷媒流路２ｂが複数設けられるため伝熱面積Ａｉが大きくなり向上する。

よって、熱交換器全体の熱交換性能（Ａｏ・Ｋ）が大きくなるため、円管を伝熱管として使用した同一熱交換容量の熱交換器に比べて凝縮器２の寸法を小さくすることができる。また、冷凍サイクル内に充填する冷媒量も少なくなるため、アキュムレータ等の冷媒容器の小型化も可能となり熱源装置ＲＳの小型化を図ることができる。
このため、設置スペースに制約のある屋上や機械室内でも熱源装置ＲＳの設置が容易になる。

さらに、本実施の形態のように空冷凝縮器用送風機３が熱交換室１１の上部に設置されているトップフロー形の熱源装置ＲＳでは、凝縮器２が大きくなると空冷凝縮器用送風機３と凝縮器２の下段との距離が大きくなり、下段の熱交換風量が少なくなって性能が低下するが、凝縮器２の寸法を小さくすることにより、熱交換風量の分布を規定値内に維持し、熱交換性能の低下を抑制することが可能となる。

次に、実施の形態１に係る熱源装置ＲＳが運転したときの動作について説明する。
冷温水供給システムに起動信号が入ると、はじめに熱源装置ＲＳが接続された冷水配管６に設置されている冷水ポンプ７が駆動する。
次に、熱源装置ＲＳに搭載された圧縮機１と空冷凝縮器用送風機３とが駆動をはじめる。
圧縮機１は、低圧のガス冷媒を圧縮して高圧のガス冷媒にする。圧縮機１からのガスは、油分離器（図示省略）を介して凝縮器２へ送られる。圧縮機１は、その形式を特に問わないが、例えばスクロール圧縮機やロータリー圧縮機、スクリュー圧縮機等が用いられる。圧縮機１は、例えば複数台の圧縮機による台数制御と、単独の圧縮機の回転数制御との組合せにより、容量制御を可能に構成されている。

凝縮器２は、圧縮機１から送られた高圧のガス冷媒を外気と熱交換させて冷却し凝縮液化する。凝縮器２は、空冷凝縮器用送風機３を備える空冷式の熱交換器である。空冷凝縮器用送風機３が駆動すると、外気は凝縮器２を通過し熱交換を行って熱交換室１１に流入する。そして熱交換室１１の天板１１ａに設置された空冷凝縮器用送風機３により上方に排気される。

凝縮器２で凝縮した液冷媒は、膨張弁４へ送られる。膨張弁４は、閉止機能，蒸発器５の冷却負荷に応じた開度調整による流量制御機能、及び減圧膨張機能を単一の弁で行うものである。膨張弁４は、蒸発器５の下流側の冷媒温度及び冷媒圧力を検出する温度センサ（図示しない）及び圧力センサ（図示しない）と、これらセンサの信号を入力する制御器により、蒸発器５の出口冷媒の過熱度が一定となるように開度が制御される。

膨張弁４は、凝縮器２で凝縮した液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力を低下させる。そして、蒸発器５は、冷媒の蒸発により二次側の水（熱媒体）から熱を奪い冷水を生成する熱交換器である。蒸発器５は、冷媒流路と水流路とを有し、冷媒と水とを非接触で熱交換させる間接熱交換器である。本実施の形態の蒸発器５は、例えばプレート式熱交換器を採用している。

蒸発器５にて気化された冷媒は、アキュムレータ（図示省略）を介して圧縮機１へ戻される。本実施の形態の熱源装置ＲＳの熱回路は、以上のように構成されることで冷水を冷温水供給システムに供給する。

なお、上記実施の形態１に係る熱源装置ＲＳの説明では、熱源装置ＲＳから熱媒体として冷水を取り出す構成を説明したが、冷凍サイクル装置に四方弁を設け、四方弁を切り替えてヒートポンプサイクルを形成し、凝縮器２を蒸発器として、蒸発器５を凝縮器として機能させ、温水を取り出す構成としてもよい。

ここで、実施の形態１に係る熱源装置ＲＳを複数台連結して設置した熱源システムについて説明する。
図５は、実施の形態１に係る熱源装置を複数接続した際の熱回路を示した構成図である。
図６は、実施の形態１に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。
図７は、実施の形態１に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。

実施の形態１に係る熱源装置ＲＳは、図５に示すように複数台を連結して使用することができる。各熱源装置ＲＳは一点破線で囲まれた熱回路部分を１ユニットとして備えている。
各熱源装置ＲＳの間は、冷水配管６が接続されて熱回路として機能する。すなわち、冷水入口配管６ａに対して並列に蒸発器５が接続され、冷水入口配管６ａから流入した冷水が分岐して各蒸発器５で冷却される。冷却された冷水は、冷水出口配管６ｂに流入し、熱源装置ＲＳ毎に合流して最も下流側の熱源装置ＲＳから排出される。

次に、熱源装置ＲＳを複数台接続した際の冷水配管６の接続位置について説明する。
上記のように、冷水配管６は、熱源装置ＲＳの機械室１０を側面視で水平方向に貫通するように配置され、冷水入口配管６ａ、冷水出口配管６ｂの一端部は共に機械室１０の対向する側面部１０ａの一面側において機械室１０外に突出した位置に設けられ、また、冷水入口配管６ａ、冷水出口配管６ｂの他端部は共に対向する側面部１０ａの他面側において機械室１０内に格納された位置に設けられている。

すると、冷水配管６の接続部６ｃは、図６に示すように機械室１０内に位置することになる。接続部６ｃは一般的な鋼管の継ぎ手を採用することができ、例えば、鋼管の外ねじに螺合されるソケットやユニオン、冷水配管６の口径が大きくなればフランジ継ぎ手などを適宜選択することが可能である。なお、外部から冷水配管６が接続されない冷水入口配管６ａ、冷水出口配管６ｂの端部には、熱媒体である冷水が流出しないようにプラグ止めを施工し、止水処理を行う。

また、接続部６ｃには可とう性を有するフレキシブル継ぎ手を介在させることが可能である。フレキシブル継ぎ手は、ゴム製の蛇腹形状のものや、ステンレス製の編み込み形状の周知のものを採用することが可能である。

このように、機械室１０内に冷水配管６の接続部６ｃが予め納まるようにスペースを設けることにより、熱源装置ＲＳの外部に口径の大きい接続部６ｃが露出することがなく熱源装置ＲＳまわりの配管の納まりが良くなる。また、冷水配管６を熱源装置ＲＳの外部に現場施工する必要がなくなり、設置スペースを最小化することができる。

そして、複数の熱源装置ＲＳを接続する際に、予め規定された位置に冷水配管６の接続部６ｃが設定されているため、熱源装置ＲＳの位置決めが容易となり、熱交換用の気流を設計通りに流通させることができ、各熱源装置ＲＳが確実に定格能力を発揮することが可能になる。さらに、冷水配管６が機械室１０の一方側の側面に突出しているため、設置の際に熱源装置ＲＳの設置方向を容易に判断することができる。
さらに、フレキシブル継ぎ手を接続部６ｃに介在させることで、隣接する熱源装置ＲＳの冷水配管６同士を接続する際に多少管軸がずれていてもフレキシブル継ぎ手の可とう性の範囲内で位置の調整をすることができる。

なお、図６に示すように熱源装置ＲＳの側面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成の例を説明したが、図７に示すように熱源装置ＲＳの正面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成としてもよい。
この場合も接続部６ｃは、機械室１０内に配置されるため、上記と同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態２．
実施の形態２に係る熱源装置ＲＳは、実施の形態１に係る熱源装置ＲＳと基本構成は同じであるが、機械室１０に対する冷水配管６の端部の位置が異なる。
よって、実施の形態２に係る熱源装置ＲＳの冷水配管６の端部の位置について説明する。
図８は、実施の形態２に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。
図９は、実施の形態２に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。
図８において、冷水入口配管６ａの一端側は、図面上の機械室１０の左側面から突出しており、冷水入口配管６ａの他端側は、機械室１０内に位置している。
また、冷水出口配管６ｂの一端側は、図面上の機械室１０内に位置しており、冷水出口配管６ｂの他端側は、機械室１０の右側面から突出している。
すなわち、冷水入口配管６ａと冷水出口配管６ｂとで、機械室１０の側面から突出する方向を異ならせている。

このように、機械室１０内に冷水配管６の接続部６ｃが予め納まるようにスペースを設けることにより、実施の形態１と同様に熱源装置ＲＳの外部に口径の大きい接続部６ｃが露出することがなく熱源装置ＲＳまわりの配管の納まりが良くなる。

さらに、一番上流側の熱源装置ＲＳの冷水入口配管６ａが機械室１０から突出するように配置すると、一番下流側の熱源装置ＲＳは、冷水出口配管６ｂのみが機械室１０から突出する構成となり、それぞれに機械室１０の外部から流入側の冷水配管６と流出側の冷水配管６を接続することができる。一番上流側の熱源装置ＲＳには流出側の冷水配管６を接続する必要がなく、また、一番下流側の熱源装置ＲＳには流入側の冷水配管６を接続する必要がないため、不要な冷水配管６の接続部６ｃが機械室１０の外部に露出することがない。よって、配管の納まりがよく、意匠上も不要な冷水配管６の接続部６ｃが見えることがない。

なお、図８に示すように熱源装置ＲＳの側面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成の例を説明したが、図９に示すように熱源装置ＲＳの正面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成としてもよい。
この場合も接続部６ｃは、機械室１０内に配置されるため、上記と同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態３．
実施の形態３に係る熱源装置ＲＳは、実施の形態１に係る熱源装置ＲＳと基本構成は同じであるが、機械室１０に対する冷水配管６の端部の位置が異なる。
よって、実施の形態３に係る熱源装置ＲＳの冷水配管６の端部の位置について説明する。
図１０は、実施の形態３に係る熱源装置を複数接続した際の側面断面図である。
図１１は、実施の形態３に係る別の例における熱源装置を複数接続した際の正面断面図である。
図１０において、冷水入口配管６ａの両端は、図面上の機械室１０内に位置している。
また、冷水出口配管６ｂの両端も同様には、図面上の機械室１０内に位置している。
すなわち、冷水入口配管６ａと冷水出口配管６ｂとの４つの端部を全て機械室１０内に配置するものである。

隣接する接続部６ｃは、間に介在する短管６ｄにより互いに接続される。
またこの短管６ｄに代えて可とう性を有するフレキシブル継ぎ手を採用することが可能である。フレキシブル継ぎ手は、ゴム製の蛇腹形状のものや、ステンレス製の編み込み形状の周知のものを採用することできる。
このように、機械室１０内に冷水配管６の接続部６ｃが予め納まるようにスペースを設けることにより、実施の形態１と同様に熱源装置ＲＳの外部に口径の大きい接続部６ｃが露出することがなく熱源装置ＲＳまわりの配管の納まりが良くなる。
また、フレキシブル継ぎ手を接続部６ｃに介在させることで、隣接する熱源装置ＲＳの冷水配管６同士を接続する際に多少管軸がずれていてもフレキシブル継ぎ手の可とう性の範囲内で位置の調整をすることができる。

なお、図１０に示すように熱源装置ＲＳの側面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成の例を説明したが、図１１に示すように熱源装置ＲＳの正面視方向において冷水配管６が機械室１０を貫通する構成としてもよい。
この場合も接続部６ｃは、機械室１０内に配置されるため、上記と同様の効果を得ることが可能である。

また、実施の形態１〜３では、それぞれ機械室１０に対する冷水配管６の端部の位置が異なる態様を説明したが、これら実施の形態１〜３に係る熱源装置ＲＳを適宜組み合わせて連結設置した熱源システムとしてもよい。

なお、実施の形態１〜３に記載の凝縮器２は、本発明の熱源熱交換器に相当する。
同様に、蒸発器５は、熱媒体熱交換器に相当し、冷水配管６は、熱媒体配管に相当し、側面部１０ａは、側壁部に相当する。

１圧縮機、２凝縮器（熱源熱交換器）、２ａ扁平管、２ｂ冷媒流路、２ｃ放熱フィン、３空冷凝縮器用送風機、４膨張弁、５蒸発器（熱媒体熱交換器）、６冷水配管（熱媒体配管）、６ａ冷水入口配管、６ｂ冷水出口配管、６ｃ接続部、６ｄ短管、７冷水ポンプ、１０機械室、１０ａ側面部（側壁面）、１１熱交換室、１１ａ天板、ＲＳ熱源装置。

Claims

圧縮機と、熱源熱交換器と、膨張弁と、熱媒体熱交換器とを接続した冷凍サイクルを備え、
少なくとも前記熱源熱交換器を収納する熱交換室と、
少なくとも前記圧縮機と前記熱媒体熱交換器とを収納する機械室と、
を有する熱源装置を複数備え、
前記熱源装置の前記熱媒体熱交換器には、熱媒体配管が接続され、
前記熱媒体配管の一端部は、前記機械室内に位置し、
前記熱媒体配管の他端部は、前記機械室内に位置し、
前記熱媒体配管の一端部と、該一端部に隣接する前記熱媒体配管の他端部とは、短管を介して接続され、
前記熱媒体配管の一端部と前記短管との接続部を構成する継ぎ手、及び、前記一端部に隣接する前記熱媒体配管の他端部と前記短管との接続部を構成する継ぎ手は、前記機械室内に格納される位置に配置された熱源システム。
前記熱媒体配管は、第１熱媒体配管と第２熱媒体配管とで構成され、
前記機械室は、対向する第１側壁面と第２側壁面とを有し、
前記第１熱媒体配管の前記一端部は、前記機械室の前記第１側壁面内に位置し、
前記第１熱媒体配管の前記他端部は、前記機械室の前記第２側壁面内に位置し、
前記第２熱媒体配管の前記一端部は、前記機械室の前記第１側壁面内に位置し、
前記第２熱媒体配管の前記他端部は、前記機械室の前記第２側壁面内に位置する
請求項１に記載の熱源システム。
前記第１熱媒体配管は、前記熱媒体熱交換器に熱媒体を供給する熱媒体入口配管であり、
前記第２熱媒体配管は、前記熱媒体熱交換器から熱交換後の熱媒体を排出する熱媒体出口配管である請求項２に記載の熱源システム。
前記熱源熱交換器は、伝熱管を扁平管としたフィンチューブ式熱交換器である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱源システム。
前記短管は、可とう性を有するフレキシブル継ぎ手である請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱源システム。