JP6991343B2 - フリークーリングユニット - Google Patents

Description

本発明は、熱媒体を循環させるフリークーリング回路を備えたフリークーリングユニットに関するものである。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、冬期において外気温が低いときに、冷凍機を使用せず冷却塔を熱源として利用するフリークーリングシステムが知られている。例えば工場等では、生産機器からの放熱を処理するために、年間を通じて昼夜問わず冷房が必要である。このような場合に、室内の空気を冷やすための冷水を製造する冷凍機と、冷凍機からの排熱を大気に放出するための冷水を製造する冷却塔の両方を年中運転していた。しかし、外気温度が低いときは、冷却塔からの冷水温度も低下する。フリークーリングシステムでは、冷却塔からの冷水を直接負荷側に供給し、冷凍機を使用しないので、年間冷房が必要な建物等に効果的な省エネルギーシステムである。

特開２０１６－１９４３８６号公報

特許文献１に開示されたフリークーリングシステムでは、冷却塔の他に、外部機器として、例えばポンプ、水熱交換器、膨張タンク、バイパス弁及び水配管等が必要となり、冷却塔と各種の外部機器とが、現場で配置されて接続される。そのため、現場での配管接続及び配置設計等が複雑となり、設置作業に手間と時間が掛かるため、施工性に問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、現場での配管接続及び配置設計等を容易なものとし、設置作業の施工性を向上させることができる、フリークーリングユニットを提供することを目的とする。

本発明に係るフリークーリングユニットは、空気熱交換器と、水熱交換器と、ポンプと、が配管で接続され、当該配管内に熱媒体を循環させるフリークーリング回路を有するフリークーリングユニットであって、上部に配置された空気熱交換器室と、下部に配置された機械室と、を備え、前記空気熱交換器室には、少なくとも前記空気熱交換器、送風機及び送風機モータが設けられ、前記機械室には、少なくとも前記水熱交換器、前記ポンプ、前記フリークーリング回路の制御を行う制御装置、膨張タンク、電源装置及び水配管が設けられており、前記電源装置、前記制御装置、前記水熱交換器及び前記水配管は、前記電源装置、前記制御装置、前記水熱交換器、前記水配管の順に並べて配置されているものである。

本発明に係るフリークーリングユニットは、必要となる構成機器類を１つにまとめてユニットとした構成なので、現場での配管接続及び配置設計等が容易となり、設置作業の施工性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを有するフリークーリングシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを模式的に示した正面図である。 本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを模式的に示した側面図である。 本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットの機械室を模式的に示した内部構成図である。 本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットであって、複数の送風機を有する構成を模式的に示した平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを有するフリークーリングシステムの概略構成図である。本実施の形態におけるフリークーリングユニット１は、図１に示すように、フリークーリング回路１０を有しており、冷媒回路２０を有するチラーユニット２と共に、フリークーリングシステム１００を構成するものである。このフリークーリングユニット１は、従来の冷却塔の代替品として構成されたものである。

フリークーリングシステム１００は、フリークーリング回路１０の配管１５内を循環する液状の熱媒体と、冷媒回路２０の配管２６内を循環する冷媒とが、水回路３の水配管３０内をポンプ３１の駆動によって循環する冷水と熱交換を行い、冷水を冷却する構成である。図１に示すフリークーリングシステム１００では、熱媒体の流れと冷水の流れとが対向流となり、冷媒の流れと冷水の流れとが対向流となるように構成している。これらの流れを対向流とすることで、温度差が大きくなり、熱交換率が高くなるからである。但し、冷媒の流れと冷水の流れは、並行流でもよい。なお、フリークーリングシステム１００では、冷水の流れに対して、フリークーリング回路１０が上流側に配置され、冷媒回路２０が下流側に配置されている。

フリークーリング回路１０は、図１に示すように、第１空気熱交換器１１と、第１水熱交換器１２の熱源側と、膨張タンク１３と、ポンプ１４と、が配管１５で接続されており、配管１５内を液状の熱媒体としてブラインが循環する構成である。なお、液状の熱媒体は、ブラインの他に水等でもよい。フリークーリング回路１０は、制御装置１６によって制御される。

第１空気熱交換器１１は、伝熱管と多数のフィンとを含んで構成されたフィンアンドチューブ型熱交換器である。第１空気熱交換器１１は、第１空気熱交換器１１に供給されたブラインと、第１送風機１７の送風によって第１空気熱交換器１１を通過する空気とを熱交換させて、ブラインを冷却させる。第１送風機１７は、フリークーリングユニット１の内部に外気を吸入し、吸入した外気を外部に向かって吹出す機能を有するものであり、例えばプロペラファン等で構成される。第１送風機１７は、送風機モータ１７ａによって駆動される。

第１水熱交換器１２は、プレート内を流れるブラインと、プレート内を流れる水回路３の冷水との間で熱交換するプレート型熱交換器である。第１水熱交換器１２は、第１水熱交換器１２に供給されたブラインと、水回路３を循環する冷水とを熱交換させて、冷水を冷却させる。

膨張タンク１３は、温度上昇により膨張したブラインを吸収するものであり、例えば密閉式膨張タンク等で構成される。温度が相対的に低くなった膨張タンク１３内のブラインは、フリークーリング回路１０へ流出される。なお、膨張タンク１３は、ポンプ１４の下流側に配置されているが、種々の回路構成に応じて、設置箇所を適宜変更して配置される。ポンプ１４は、ブラインを循環させるために設けられている。

なお、図１に示したフリークーリング回路１０では、一例として、第１水熱交換器１２の上流側と下流側とを繋ぐバイパス回路１５ａが設けられている。バイパス回路１５ａには、弁１５ｂが設けられている。但し、フリークーリング回路１０は、バイパス回路１５ａ及び弁１５ｂを省略した構成でもよい。

また、図示することは省略したが、フリークーリングユニット１には、冷水の温度を検知する水温検知センサ及び外気温度を検知する外気温検知センサが、それぞれ少なくとも１つ設けられている。水温検知センサ及び外気温検知センサは、例えばサーミスタで構成される。また、フリークーリングユニット１には、冷水の流量を検知する流量計を設けてもよい。

制御装置１６は、例えば上記の各センサ及び流量計が検知した検知値に基づいて、ポンプ１４の回転数を制御して、ブラインの流量を調整したり、送風機モータ１７ａを制御して第１送風機１７を回転駆動させたりする。制御装置１６は、例えばマイコン又はＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成される。なお、制御装置１６は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアにより構成してもよい。

冷媒回路２０は、図１に示すように、圧縮機２１と、第２空気熱交換器２２と、膨張機構２３と、第２水熱交換器２４の熱源側と、アキュムレーター２５と、が配管２６で接続されており、配管２６内を冷媒が循環する構成である。冷媒回路２０は、制御装置２７によって制御される。

圧縮機２１は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機２１は、一例として、運転容量（周波数）を可変させることが可能とした構成であり、例えばインバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機を使用する。

第２空気熱交換器２２は、凝縮器として機能するものであり、例えば伝熱管と多数のフィンとを含んで構成されたフィンアンドチューブ型熱交換器である。第２空気熱交換器２２は、圧縮機２１から吐出されて第２空気熱交換器２２に供給された冷媒と、第２送風機２８の送風によって第２空気熱交換器２２を通過する空気とを熱交換させて、冷媒を冷却させる。第２送風機２８は、チラーユニット２の内部に外気を吸入し、吸入した外気を外部に向かって吹出す機能を有するものであり、例えばプロペラファン等で構成される。第２送風機２８は、送風機モータ２８ａによって駆動される。

膨張機構２３は、冷媒回路２０内を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、一例として開度が可変に制御される電子式膨張弁等で構成される。

第２水熱交換器２４は、蒸発器として機能するものであり、例えばプレート内を流れる冷媒と、プレート内を流れる水回路３の冷水との間で熱交換するプレート型熱交換器である。第２水熱交換器２４は、第２水熱交換器２４に供給された冷媒と、水回路３を循環する冷水とを熱交換させて、冷水を冷却させる。アキュムレーター２５は、第２水熱交換器２４から流出した冷媒を貯留するものである。

上記構成のフリークーリングシステム１００では、例えば夏期において、フリークーリングユニット１の運転を停止してチラーユニット２のみを運転させる。つまり、冷媒回路２０を循環する冷媒と、水回路３を循環する冷水とが熱交換を行うことで、冷水が冷却される。

また、フリークーリングシステム１００は、例えば中間期において、チラーユニット２とフリークーリングユニット１の両方を運転させる。つまり、冷媒回路２０を循環する冷媒と、水回路３を循環する冷水とが熱交換を行うと共に、フリークーリング回路１０を循環するブラインと、水回路３を循環する冷水とが熱交換を行うことで、冷水が冷却される。このように、チラーユニット２とフリークーリングユニット１の両方を運転させるハイブリッドシステムとすることで、冷媒回路２０の負荷を軽減させることができ、運転効率の向上を図ることができる。

また、フリークーリングシステム１００は、例えば冬期において、チラーユニット２を停止してフリークーリングユニット１のみを運転させる。つまり、フリークーリング回路１０を循環するブラインと、水回路３を循環する冷水とが熱交換を行うことで、冷水が冷却される。このように、フリークーリングユニット１のみを運転させることで、超効率運転を行うことができ、省エネルギー化を実現できる。

次に、図２～図４に基づいて、本実施の形態に係るフリークーリングユニット１の具体的な構造について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを模式的に示した正面図である。図３は、本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットを模式的に示した側面図である。図４は、本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットの機械室を模式的に示した内部構成図である。

フリークーリングユニット１は、図２及び図３に示すように、上部に配置された空気熱交換器室Ａと、下部に配置された機械室Ｂと、を備えている。空気熱交換器室Ａには、２列の第１空気熱交換器１１と、第１送風機１７と、送風機モータ１７ａとが設けられている。また、図示することは省略したが、空気熱交換器室Ａの上部には、配管１５内のエア抜きを行うエア抜き部が設けられている。空気熱交換器室Ａの上面には、吸気した外気の排気口６が形成されている。更に、フリークーリングユニット１の筐体の外部には外気温を検知する外気温センサが設けられている。

機械室Ｂには、図２～図４に示すように、第１水熱交換器１２と、膨張タンク１３と、ポンプ１４と、電源箱１８と、制御箱１９と、水回路３の水配管３０とが設けられている。電源箱１８には、電源装置１８ａが内蔵されている。制御箱１９には、フリークーリング回路１０を制御する制御装置１６が内蔵されている。つまり、本実施の形態に係るフリークーリングユニット１は、必要となる構成機器類を１つにまとめてユニットとした構成を特徴としている。

なお、機械室Ｂでは、図３及び図４に示すように、制御装置１６を内蔵した制御箱１９及び電源装置１８ａを内蔵した電源箱１８と、第１水熱交換器１２とが、膨張タンク１３及びポンプ１４を間に挟んで配置されている。このように配置することで、水配管３０から水が漏れた場合でも制御装置１６及び電源装置１８ａに水が掛かり難くなり、故障の原因を未然に防ぐことができる。

空気熱交換器室Ａと機械室Ｂとは、図２及び図３に示すように、ドレンパン４によって仕切られている。つまり、フリークーリングユニット１では、空気熱交換器室Ａに侵入した雨水等をドレンパン４で受け止めて、機械室Ｂに雨水が侵入する事態を抑制することができるので、漏電を防ぐことができるし、各種構成部材の錆等を抑制することもできる。また、フリークーリングユニット１では、ドレンパン４によって機械室Ｂの断熱効果を高めることもできる。

また、フリークーリングユニット１は、第１空気熱交換器１１の下部に膨張タンク１３とポンプ１４を配置しているので、配管１５の中に膨張タンク１３から空気が入りづらくなり、エア噛みのリスクを低減することができる。これは、ポンプ１４を空気熱交換器室Ａに設けて、膨張タンク１３よりも上方に配置してしまうと、配管１５の中に膨張タンク１３から流出した空気が入りやすくなり、空気の滝が発生して、エア噛みの原因となるからである。なお、ポンプ１４は、膨張タンク１３内の水面の位置と同じ高さとなるように配置するか、又は膨張タンク１３内の水面の位置よりも下方となるように配置することが望ましい。

また、フリークーリングユニット１は、配管１５の中に膨張タンク１３からの空気が入りづらくなることにより、第１水熱交換器１２に侵入する空気を抑えることができるので、侵入した空気に含まれる水分が凍結するリスクを低減することもできる。

また、フリークーリング回路１０では、熱媒体としてブラインを循環させるので、冷媒回路２０と比較して太くて重量のある配管１５を使用することになる。フリークーリングユニット１は、下部に配置した機械室Ｂに、重量のあるポンプ１４、第１水熱交換器１２、膨張タンク１３、電源箱１８及び制御箱１９を配置して重心位置を低くしているので、太くて重量のある配管１５を使用しても、設置状態の安定性を高めることができる。

図５は、本発明の実施の形態に係るフリークーリングユニットであって、複数の送風機を有する構成を模式的に示した平面図である。図５に示すフリークーリングユニット１は、４つの第１送風機１７を備えた構成である。空気熱交換器室Ａは、左右方向の中間部が仕切り板５で仕切られて第１空気熱交換器室Ａ１と、第２空気熱交換器室Ａ２とに区画されている。第１空気熱交換器室Ａ１と第２空気熱交換器室Ａ２とには、それぞれ２列の第１空気熱交換器１１と、２台の第１送風機１７が配置されている。フリークーリングユニット１は、仕切り板５を設けて空気熱交換器室Ａを区画することで、複数台の第１送風機１７が互いに外気を吸い込み合う事態を抑制することができ、性能を高めることができる。また、必要となる冷却能力に応じて、例えば第１空気熱交換器室Ａ１の第１送風機１７のみを駆動させたり、４台すべての第１送風機１７を駆動させたりすることができる。つまり、フリークーリングユニット１は、必要となる冷却能力に応じて、区画された第１送風機１７を駆動させることができるので、電力の無駄を省くことができ、省エネ効果を高めることができる。なお、空気熱交換器室Ａは、３つ以上に区画してもよい。また、第１送風機１７は、各区画に１台以上あればよい。

以上のように、本実施の形態のフリークーリングユニット１は、第１空気熱交換器１１と、第１水熱交換器１２と、ポンプ１４と、が配管１５で接続され、配管１５内に熱媒体を循環させるフリークーリング回路１０を有している。そして、フリークーリングユニット１は、上部に配置された空気熱交換器室Ａと、下部に配置された機械室Ｂと、を備えている。空気熱交換器室Ａには、少なくとも第１空気熱交換器１１、第１送風機１７及び送風機モータ１７ａが設けられている。機械室Ｂには、少なくとも第１水熱交換器１２、ポンプ１４、及びフリークーリング回路１０の制御を行う制御装置１６が設けられている。つまり、フリークーリングユニット１は、必要となる構成機器類を１つにまとめてユニットとした構成なので、現場での配管接続及び配置設計等が容易となり、設置作業の施工性を向上させることができる。

また、フリークーリングユニット１は、空気熱交換器室Ａと機械室Ｂとが、ドレンパン４によって仕切られている。よって、フリークーリングユニット１は、空気熱交換器室Ａに侵入した雨水等をドレンパン４で受け止めて、機械室Ｂに雨水が侵入する事態を抑制することができるので、漏電を防ぐことができるし、各種構成部材の錆等を抑制することもできる。また、フリークーリングユニット１は、ドレンパン４によって機械室Ｂの断熱効果を高めることもできる。

また、機械室Ｂには、膨張タンク１３が更に設けられている。つまり、フリークーリングユニット１は、第１空気熱交換器１１の下部に膨張タンク１３とポンプ１４を配置しているので、配管１５の中に膨張タンク１３から空気が入りづらくなり、エア噛みのリスクを低減することができる。

また、機械室Ｂには、電源装置１８ａが更に設けられている。そして、制御装置１６及び電源装置１８ａと、第１水熱交換器１２とが、膨張タンク１３及びポンプ１４を間に挟んで配置されている。よって、フリークーリングユニット１は、水配管３０から水が漏れた場合でも制御装置１６及び電源装置１８ａに水が掛かり難くなり、故障の原因を未然に防ぐことができる。

ポンプ１４は、膨張タンク１３内の水面の位置と同じ高さとなるように配置され、又は膨張タンク１３内の水面の位置よりも下方となるように配置されている。よって、フリークーリングユニット１は、配管１５の中に膨張タンク１３から空気が入りづらくなり、エア噛みのリスクを低減させる効果を高めることができる。

空気熱交換器室Ａは、仕切り板５で仕切られた複数の区画を有している。区画には、それぞれ第１空気熱交換器１１、第１送風機１７及び送風機モータ１７ａが設けられている。よって、フリークーリングユニット１は、複数台の第１送風機１７が互いに外気を吸い込み合う事態を抑制することができ、性能を高めることができる。また、フリークーリングユニット１は、必要となる冷却能力に応じて、区画された第１送風機１７を駆動させることができるので、電力の無駄を省くことができ、省エネ効果を高めることができる。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、フリークーリングユニット１は、上記したフリークーリングシステム１００に用いることに限定されず、例えばフリークーリング回路１０のみの連結によって、冷却塔として使用してもよい。また、フリークーリングユニット１は、上述した内容に限定されるものではなく、他の構成要素を含んでもよい。要するに、本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。

１ フリークーリングユニット、２ チラーユニット、３ 水回路、４ ドレンパン、５ 仕切り板、６ 排気口、１０ フリークーリング回路、１１ 第１空気熱交換器、１２ 第１水熱交換器、１３ 膨張タンク、１４ ポンプ、１５ 配管、１５ａ バイパス回路、１５ｂ 弁、１６ 制御装置、１７ 第１送風機、１７ａ 送風機モータ、１８ 電源箱、１８ａ 電源装置、１９ 制御箱、２０ 冷媒回路、２１ 圧縮機、２２ 第２空気熱交換器、２３ 膨張機構、２４ 第２水熱交換器、２５ アキュムレーター、２６ 配管、２７ 制御装置、２８ 第２送風機、２８ａ 送風機モータ、３０ 水配管、１００ フリークーリングシステム、Ａ 空気熱交換器室、Ａ１ 第１空気熱交換器室、Ａ２ 第２空気熱交換器室、Ｂ 機械室。

Claims (4)

1. 空気熱交換器と、水熱交換器と、ポンプと、が配管で接続され、当該配管内に熱媒体を循環させるフリークーリング回路を有するフリークーリングユニットであって、
   上部に配置された空気熱交換器室と、
   下部に配置された機械室と、を備え、
   前記空気熱交換器室には、少なくとも前記空気熱交換器、送風機及び送風機モータが設けられ、
   前記機械室には、少なくとも前記水熱交換器、前記ポンプ、前記フリークーリング回路の制御を行う制御装置、膨張タンク、電源装置及び水配管が設けられており、
   前記電源装置、前記制御装置、前記水熱交換器及び前記水配管は、前記電源装置、前記制御装置、前記水熱交換器、前記水配管の順に並べて配置されている、フリークーリングユニット。
2. 前記電源装置、前記制御装置、前記ポンプ、前記膨張タンク、前記水熱交換器及び前記水配管は、前記電源装置、前記制御装置、前記ポンプ、前記膨張タンク、前記水熱交換器、前記水配管の順に並べて配置されている、請求項１に記載のフリークーリングユニット。
3. 前記空気熱交換器室と前記機械室とは、ドレンパンによって仕切られている、請求項１又は２に記載のフリークーリングユニット。
4. 前記空気熱交換器室は、仕切り板で仕切られた複数の区画を有しており、
   前記区画には、それぞれ前記空気熱交換器、前記送風機及び前記送風機モータが設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載のフリークーリングユニット。

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