JP7158539B2

JP7158539B2 - 熱源機

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Publication number: JP7158539B2
Application number: JP2021115668A
Authority: JP
Inventors: 仁隆門脇; 拓也伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: JPWO2020035946A1; JP2021167721A; JP6937920B2; WO2020035946A1

Description

本発明は、フリークーリングユニットを備えた熱源機に関するものである。

特許文献１には、複数の空冷式チラーが直列に並ぶように設けられた空冷式チラー群を２群以上並列に備える空冷式チラーシステムが記載されている。各空冷式チラーは、上部に設けられた空気側熱交換室と、下部に設けられた機械室と、空気側熱交換室及び機械室を覆う本体カバーと、からなる。空気側熱交換室には、冷媒の凝縮熱を空気に放熱する空気側熱交換器が設けられている。機械室には、冷媒の蒸発熱を水から吸熱する冷水側熱交換器が設けられている。

特開２０１３－１４８２７５号公報

チラーユニットは、水方式の空調設備の熱源機として用いられる。空調負荷が高い場合には、特許文献１の記載のように複数のチラーユニットが設けられる。この場合、各チラーユニットの物理的な設置スペースに加えて、チラーユニット毎にサービススペースが確保される必要がある。一般に、データセンターのように単位面積当たりの空調負荷が高い場所では、熱源機を設置できるスペースが狭い場合が多い。このため、単位設置面積当たりの熱源機の能力が低い場合、空調負荷に応じた熱源機を設置するのが困難になるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、単位設置面積当たりの能力を向上できるフリークーリングユニットを備えた熱源機を提供することを目的とする。

本発明に係る熱源機は、第１液状熱媒体を循環させる熱媒体回路と、前記熱媒体回路に設けられ前記第１液状熱媒体と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器と、前記熱源側熱交換器に空気を供給する第１ファンと、前記熱媒体回路に設けられ前記第１液状熱媒体と第２液状熱媒体との熱交換を行う負荷側熱交換器と、前記第１ファンを制御するように構成された制御部と、を有するフリークーリングユニットと、冷媒を循環させる冷媒回路と、前記冷媒回路に設けられ前記冷媒と空気との熱交換を行う第２熱源側熱交換器と、前記第２熱源側熱交換器に空気を供給する第２ファンと、前記冷媒回路に設けられ前記冷媒と前記第２液状熱媒体との熱交換を行う第２負荷側熱交換器と、を有するチラーユニットと、台部と、前記台部から下方に延びた脚部と、を有する架台と、を備え、前記チラーユニットは前記台部上に設置され、前記フリークーリングユニットは前記台部の下方に設置され、前記制御部は、前記チラーユニットが運転している場合、前記熱源側熱交換器を通過した空気の温度である排気温度に基づいて前記第１ファンの回転速度を制御するものである。

本発明によれば、フリークーリングユニットの上方に設置されたチラーユニットに吸気される空気の温度を所定の温度範囲内に維持することができるため、チラーユニットの性能低下を防ぐことができる。したがって、熱源機の単位設置面積当たりの能力を向上できる。

本発明の実施の形態１に係る熱源機１０の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る熱源機１０の構成を示す正面図である。本発明の実施の形態１に係る熱源機１０の冬期における動作の例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る熱源機１０の中間期における動作の例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る熱源機１０の夏期における動作の例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る熱源機１０のフリークーリングユニット１００の制御部１２０で実行される制御の流れを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る熱源機及びフリークーリングユニットについて説明する。本実施の形態の熱源機は、水又はブライン等の液状熱媒体を用いて熱が搬送される、いわゆる水方式の空調設備に用いられる。当該空調設備の空調対象は、例えば、一年を通して冷房負荷が生じるデータセンター等の空調空間である。熱源機は、空調空間の外部に位置する熱源機設置スペースに設置されている。熱源機設置スペースは、例えば屋外に設けられている。

図１は、本実施の形態に係る熱源機１０の構成を示す回路図である。図１に示すように、熱源機１０は、フリークーリングユニット１００と、チラーユニット２００と、を有するハイブリッド型の熱源機である。熱源機１０は、熱媒体回路３００に接続されており、熱媒体回路３００内を循環する熱媒体を冷却するように構成されている。熱媒体回路３００内の熱媒体としては、水又はブライン等の液状熱媒体が用いられている。熱媒体回路３００において、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００は互いに直列に接続されており、チラーユニット２００はフリークーリングユニット１００の下流側に接続されている。熱媒体回路３００内の熱媒体を圧送するポンプは、フリークーリングユニット１００又はチラーユニット２００の内部に設けられていてもよいし、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の外部に設けられていてもよい。熱媒体回路３００は、空調空間を空調するファンコイルユニット等の室内機（図示せず）に接続されている。

フリークーリングユニット１００は、熱媒体回路３００内の熱媒体を流入させる流入口１０１と、当該熱媒体を流出させる流出口１０２と、を有している。フリークーリングユニット１００は、熱媒体回路３００とは別に、フリークーリングユニット１００内で熱媒体を循環させる熱媒体回路１１０を有している。熱媒体回路１１０内の熱媒体としては、水又はブライン等の液状熱媒体が用いられている。以下、熱媒体回路１１０内の熱媒体を「第１液状熱媒体」という場合があり、熱媒体回路３００内の熱媒体を「第２液状熱媒体」という場合がある。熱媒体回路１１０には、ポンプ１１１、熱源側熱交換器１１２ａ、熱源側熱交換器１１２ｂ及び負荷側熱交換器１１３が設けられている。ポンプ１１１は、熱媒体回路１１０内の第１液状熱媒体を圧送する流体機械である。ポンプ１１１は、可変の周波数で駆動される。

熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂのそれぞれは、第１液状熱媒体と室外空気との熱交換を行う、いわゆる水－空気熱交換器である。熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂには、パラレルフロー型の熱交換器が用いられる。熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂは、熱媒体回路１１０において互いに並列に接続されている。熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂは、空気の流れに対しても互いに並列に配置されている。熱源側熱交換器１１２ａは、図２を用いて後述するように、２列の熱交換器を有していてもよい。この場合、２列の熱交換器は、熱媒体回路１１０において互いに並列に接続され、空気の流れに対しても互いに並列に配置される。同様に、熱源側熱交換器１１２ｂは、２列の熱交換器を有していてもよい。

負荷側熱交換器１１３は、熱媒体回路１１０内の第１液状熱媒体と熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体との熱交換を行う、いわゆる水－水熱交換器である。負荷側熱交換器１１３は、第１液状熱媒体を流通させる第１流路１１３ａと、第２液状熱媒体を流通させる第２流路１１３ｂと、を有している。第１流路１１３ａと第２流路１１３ｂとは、隔板を介して互いに隣接して設けられている。負荷側熱交換器１１３は、第１流路１１３ａ内の第１液状熱媒体の流れと第２流路１１３ｂ内の第２液状熱媒体の流れとが対向流となるように構成されている。これにより、第１液状熱媒体と第２液状熱媒体との温度差を確保できるため、負荷側熱交換器１１３での熱交換率を高めることができる。

熱媒体回路１１０には、熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂを通らずに第１液状熱媒体を循環させるバイパス回路１１４が設けられている。バイパス回路１１４には、バイパス回路１１４を流通する第１液状熱媒体の流量を調節する流量調節弁１１５が設けられている。

また、フリークーリングユニット１００は、熱源側熱交換器１１２ａに空気を供給するファン１１６ａと、熱源側熱交換器１１２ｂに空気を供給するファン１１６ｂと、を有している。ファン１１６ａ及びファン１１６ｂのそれぞれは、可変の回転速度で駆動される。

さらに、フリークーリングユニット１００は、ポンプ１１１、流量調節弁１１５、ファン１１６ａ及びファン１１６ｂを制御する制御部１２０を有している。制御部１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えたマイクロコンピュータを有している。制御部１２０は、後述するチラーユニット２００の制御部２２０との間で相互に通信できるように構成されている。

フリークーリングユニット１００には、温度センサ１２１、１２２ａ、１２２ｂが設けられている。温度センサ１２１は、負荷側熱交換器１１３の第２流路１１３ｂから流出した第２液状熱媒体の出口温度を検出し、検出信号を制御部１２０に出力するように構成されている。温度センサ１２２ａは、熱源側熱交換器１１２ａを通過した空気の出口温度、すなわち排気温度を検出し、検出信号を制御部１２０に出力するように構成されている。温度センサ１２２ｂは、熱源側熱交換器１１２ｂを通過した空気の出口温度、すなわち排気温度を検出し、検出信号を制御部１２０に出力するように構成されている。また、フリークーリングユニット１００には、室外空気の温度を検出する外気温度センサが必要に応じて設けられている。

フリークーリングユニット１００は、冷凍サイクルを利用せず、熱媒体回路１１０内の第１液状熱媒体を介した室外空気との熱交換によって熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体を冷却するように構成されている。第１液状熱媒体は、相変化せずに液体のままで熱媒体回路１１０内を循環する。フリークーリングユニット１００は、密閉式の冷却塔として機能する。

ポンプ１１１により圧送された熱媒体回路１１０内の第１液状熱媒体は、熱源側熱交換器１１２ａ及び熱源側熱交換器１１２ｂに流入する。熱源側熱交換器１１２ａでは、流入した第１液状熱媒体と、ファン１１６ａにより供給される室外空気との熱交換が行われ、第１液状熱媒体が冷却される。熱源側熱交換器１１２ｂでは、流入した第１液状熱媒体と、ファン１１６ｂにより供給される室外空気との熱交換が行われ、第１液状熱媒体が冷却される。必要に応じて、バイパス回路１１４を流通する第１液状熱媒体の流量が流量調節弁１１５によって調節される。

冷却された第１液状熱媒体は、負荷側熱交換器１１３の第１流路１１３ａに流入する。一方、不図示の室内機から流出した熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体は、負荷側熱交換器１１３の第２流路１１３ｂに流入する。負荷側熱交換器１１３では、第１流路１１３ａを流通する第１液状熱媒体と、第２流路１１３ｂを流通する第２液状熱媒体と、の熱交換が行われる。これにより、熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体が冷却される。

チラーユニット２００は、第２液状熱媒体を流入させる流入口２０１と、当該第２液状熱媒体を流出させる流出口２０２と、を有している。流入口２０１は、熱媒体回路３００の一部を構成する熱媒体配管３０１を介して、フリークーリングユニット１００の流出口１０２に接続されている。

チラーユニット２００は、冷媒を循環させる冷媒回路２１０を有している。冷媒回路２１０では、圧縮、凝縮、膨張及び蒸発の４行程を含む冷凍サイクルが実行される。冷媒回路２１０には、圧縮機２１１ａ、圧縮機２１１ｂ、熱源側熱交換器２１２ａ、熱源側熱交換器２１２ｂ、減圧装置２１３ａ、減圧装置２１３ｂ、負荷側熱交換器２１４及びアキュムレータ２１５が設けられている。圧縮機２１１ａ及び圧縮機２１１ｂのそれぞれは、アキュムレータ２１５内の低圧のガス冷媒を吸入して圧縮し、高圧のガス冷媒として吐出する流体機械である。圧縮機２１１ａ及び圧縮機２１１ｂは、冷媒回路２１０において互いに並列に接続されている。圧縮機２１１ａ及び圧縮機２１１ｂのそれぞれは、可変の周波数で駆動される。

熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂのそれぞれは、冷媒と室外空気との熱交換を行う、いわゆる冷媒－空気熱交換器である。熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂのそれぞれは、ガス冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂには、パラレルフロー型の熱交換器が用いられる。熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂは、冷媒回路２１０において互いに並列に接続されている。熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂは、空気の流れに対しても互いに並列に配置されている。熱源側熱交換器２１２ａは、図２を用いて後述するように、２列の熱交換器を有していてもよい。この場合、２列の熱交換器は、冷媒回路２１０において互いに並列に接続され、空気の流れに対しても互いに並列に配置される。同様に、熱源側熱交換器２１２ｂは、２列の熱交換器を有していてもよい。

減圧装置２１３ａ及び減圧装置２１３ｂのそれぞれは、高圧の液冷媒を減圧して低圧の二相冷媒とするように構成されている。減圧装置２１３ａ及び減圧装置２１３ｂのそれぞれとしては、開度を調整可能な電子膨張弁が用いられている。

負荷側熱交換器２１４は、冷媒回路２１０内の冷媒と熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体との熱交換を行う、いわゆる冷媒－水熱交換器である。負荷側熱交換器２１４は、二相冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。負荷側熱交換器２１４は、冷媒回路２１０内の冷媒を流通させる第１流路２１４ａ及び第１流路２１４ｂと、熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体を流通させる第２流路２１４ｃと、を有している。第２流路２１４ｃは、隔板を介して第１流路２１４ａ及び第１流路２１４ｂのいずれとも隣接して設けられている。第１流路２１４ａには、減圧装置２１３ａで減圧された冷媒が流入し、第１流路２１４ｂには、減圧装置２１３ｂで減圧された冷媒が流入する。減圧装置２１３ａ及び第１流路２１４ａと、減圧装置２１３ｂ及び第１流路２１４ｂとは、冷媒回路２１０において互いに並列に接続されている。負荷側熱交換器２１４は、第１流路２１４ａ内及び第１流路２１４ｂ内の冷媒の流れと第２流路２１４ｃ内の第２液状熱媒体の流れとが対向流となるように構成されている。ただし、負荷側熱交換器２１４は、第１流路２１４ａ内及び第１流路２１４ｂ内の冷媒の流れと第２流路２１４ｃ内の第２液状熱媒体の流れとが並行流となるように構成されていてもよい。

アキュムレータ２１５は、負荷側熱交換器２１４から流出した冷媒を気液分離するとともに、余剰の液冷媒を貯留するように構成されている。

また、チラーユニット２００は、熱源側熱交換器２１２ａに空気を供給するファン２１６ａと、熱源側熱交換器２１２ｂに空気を供給するファン２１６ｂと、を有している。ファン２１６ａ及びファン２１６ｂのそれぞれは、可変の回転速度で駆動される。

さらに、チラーユニット２００は、圧縮機２１１ａ、圧縮機２１１ｂ、減圧装置２１３ａ、減圧装置２１３ｂ、ファン２１６ａ及びファン２１６ｂを制御する制御部２２０を有している。制御部２２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えたマイクロコンピュータを有している。制御部２２０は、フリークーリングユニット１００の制御部１２０との間で相互に通信できるように構成されている。

チラーユニット２００には、温度センサ２２１が設けられている。温度センサ２２１は、負荷側熱交換器２１４の第２流路２１４ｃから流出した第２液状熱媒体の出口温度を検出し、検出信号を制御部２２０に出力するように構成されている。また、チラーユニット２００には、室外空気の温度を検出する外気温度センサが必要に応じて設けられている。

圧縮機２１１ａ及び圧縮機２１１ｂから吐出された高圧のガス冷媒は、凝縮器として機能する熱源側熱交換器２１２ａ又は熱源側熱交換器２１２ｂに流入する。熱源側熱交換器２１２ａでは、流入したガス冷媒と、ファン２１６ａにより供給される室外空気との熱交換が行われる。熱源側熱交換器２１２ｂでは、流入したガス冷媒と、ファン２１６ｂにより供給される室外空気との熱交換が行われる。これにより、熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂのそれぞれでは、ガス冷媒が凝縮し、凝縮熱が室外空気に放熱される。熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂで凝縮した液冷媒は、減圧装置２１３ａ又は減圧装置２１３ｂで減圧され、低圧の二相冷媒となる。

減圧装置２１３ａで減圧された二相冷媒は、負荷側熱交換器２１４の第１流路２１４ａに流入する。減圧装置２１３ｂで減圧された二相冷媒は、負荷側熱交換器２１４の第１流路２１４ｂに流入する。一方、フリークーリングユニット１００から流出した第２液状熱媒体は、負荷側熱交換器２１４の第２流路２１４ｃに流入する。負荷側熱交換器２１４では、第１流路２１４ａ及び第１流路２１４ｂを流通する二相冷媒と、第２流路２１４ｃを流通する第２液状熱媒体と、の熱交換が行われる。これにより、第１流路２１４ａ及び第１流路２１４ｂを流通する二相冷媒が蒸発するとともに、第２流路２１４ｃを流通する第２液状熱媒体が冷却される。負荷側熱交換器２１４で蒸発したガス冷媒は、アキュムレータ２１５を経由して圧縮機２１１ａ及び圧縮機２１１ｂに吸入される。

図２は、本実施の形態に係る熱源機１０の構成を示す正面図である。図２では、所定の熱源機設置スペースに実際に設置された熱源機１０の構成を示している。図２中の上下方向は、鉛直上下方向を表している。図２中の太矢印は、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の双方が運転している場合の空気の流れを表している。

図２に示すように、フリークーリングユニット１００は、図１に示した熱媒体回路１１０等を収容する筐体１３０を有している。筐体１３０は、下部筐体１３１と、下部筐体１３１上に配置された上部筐体１３２と、を有している。下部筐体１３１には、熱媒体回路１１０、ポンプ１１１、負荷側熱交換器１１３及び制御部１２０等が収容されている。上部筐体１３２には、熱源側熱交換器１１２ａ、熱源側熱交換器１１２ｂ、ファン１１６ａ及びファン１１６ｂが収容されている。上部筐体１３２の２つの側面のそれぞれには、吸気口１３３が形成されている。上部筐体１３２の上面には、排気口１３４が形成されている。筐体１３０は、上部筐体１３２の上記２つの側面が斜め下向きに傾斜したＹ字形の構造を有している。

熱源側熱交換器１１２ａを構成する２列の熱交換器は、上部筐体１３２の上記２つの側面のそれぞれに沿って配置されている。図２では図示していないが、熱源側熱交換器１１２ｂを構成する２列の熱交換器も同様に、上部筐体１３２の上記２つの側面のそれぞれに沿って配置されている。ファン１１６ａ及びファン１１６ｂは、排気口１３４が形成された上部筐体１３２の上面に沿って配置されている。ファン１１６ａ及びファン１１６ｂが動作すると、筐体１３０の側方の空気が吸気口１３３を介して上部筐体１３２内に吸い込まれる。上部筐体１３２内に吸い込まれた空気は、熱源側熱交換器１１２ａ又は熱源側熱交換器１１２ｂを通過して第１液状熱媒体から吸熱し、排気口１３４から上向きに吹き出される。すなわち、フリークーリングユニット１００は、側方から吸い込んだ空気を上方に吹き出すトップフロー型の構造を有している。

チラーユニット２００は、図１に示した冷媒回路２１０等を収容する筐体２３０を有している。筐体２３０は、下部筐体２３１と、下部筐体２３１上に配置された上部筐体２３２と、を有している。下部筐体２３１には、冷媒回路２１０、圧縮機２１１ａ、２１１ｂ、減圧装置２１３ａ、２１３ｂ、負荷側熱交換器２１４、アキュムレータ２１５及び制御部２２０が収容されている。上部筐体２３２には、熱源側熱交換器２１２ａ、熱源側熱交換器２１２ｂ、ファン２１６ａ及びファン２１６ｂが収容されている。上部筐体２３２の２つの側面のそれぞれには、吸気口２３３が形成されている。上部筐体２３２の上面には、排気口２３４が形成されている。筐体２３０は、上部筐体２３２の上記２つの側面が斜め下向きに傾斜したＹ字形の構造を有している。

熱源側熱交換器２１２ａを構成する２列の熱交換器は、上部筐体２３２の上記２つの側面のそれぞれに沿って配置されている。図２では図示していないが、熱源側熱交換器２１２ｂを構成する２列の熱交換器も同様に、上部筐体２３２の上記２つの側面のそれぞれに沿って配置されている。ファン２１６ａ及びファン２１６ｂは、排気口２３４が形成された上部筐体２３２の上面に沿って配置されている。ファン２１６ａ及びファン２１６ｂが動作すると、筐体２３０の側方の空気が吸気口２３３を介して上部筐体２３２内に吸い込まれる。上部筐体２３２内に吸い込まれた空気は、熱源側熱交換器２１２ａ又は熱源側熱交換器２１２ｂを通過して冷媒から吸熱し、排気口２３４から上向きに吹き出される。すなわち、チラーユニット２００は、側方から吸い込んだ空気を上方に吹き出すトップフロー型の構造を有している。チラーユニット２００の筐体２３０は、フリークーリングユニット１００の筐体１３０と共通の仕様とすることができる。この場合、筐体２３０の形状及び外形寸法は、筐体１３０の形状及び外形寸法と同一となる。

熱源機１０は、チラーユニット２００を下方から支持する架台２０を有している。架台２０は、チラーユニット２００が設置される水平な台部２１と、台部２１の端部から下方に延びた複数の脚部２２と、を有している。台部２１の下方には、フリークーリングユニット１００を設置可能な空間が確保されている。熱源機１０を設置する際には、チラーユニット２００は台部２１上に設置され、フリークーリングユニット１００は台部２１の下方、すなわち架台２０の内側に設置される。これにより、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００は上下２段に設置され、チラーユニット２００はフリークーリングユニット１００の上方に設置される。鉛直方向に見ると、チラーユニット２００の少なくとも一部は、フリークーリングユニット１００の少なくとも一部と重なる。チラーユニット２００は、フリークーリングユニット１００の真上に設置されるようにしてもよい。この場合、鉛直方向に見ると、チラーユニット２００の全体がフリークーリングユニット１００の全体と重なる。

ここで、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００のそれぞれの物理的な設置面積をいずれもＡ１とし、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００のそれぞれのサービススペースの面積をいずれもＡ２とする。この場合、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００のそれぞれに必要な設置面積Ａ３は、Ａ１とＡ２の和となる（Ａ３＝Ａ１＋Ａ２）。本実施の形態では、チラーユニット２００がフリークーリングユニット１００の真上に設置され、チラーユニット２００の全体がフリークーリングユニット１００の全体と重なっている。このため、フリークーリングユニット１００又はチラーユニット２００の一方に必要な設置面積Ａ３に相当するスペースに、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の双方を設置することができる。

フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００が設置された後、フリークーリングユニット１００とチラーユニット２００との間は、熱媒体配管３０１（図２では図示せず）及び必要な電気配線を介して接続される。

次に、本実施の形態に係る熱源機１０の動作について説明する。熱源機１０の動作は、大別すると冬期、中間期及び夏期で異なっている。冬期、中間期及び夏期のいずれに該当するかは、例えば外気温度に基づいて判断される。

図３は、本実施の形態に係る熱源機１０の冬期における動作の例を示す図である。外気温度が低い冬期には、チラーユニット２００が停止し、フリークーリングユニット１００が運転する。フリークーリングユニット１００のみによって熱媒体回路３００内の第２液状熱媒体が冷却されるため、熱源機１０の運転効率を極めて高くすることができる。フリークーリングユニット１００の運転効率は、外気温度が低いほど高くなる。

フリークーリングユニット１００において、ポンプ１１１の駆動周波数、ファン１１６ａ及びファン１１６ｂの回転速度、並びに流量調節弁１１５の開度は、負荷側熱交換器１１３から流出した第２液状熱媒体の出口温度に基づき、制御部１２０により制御される。負荷側熱交換器１１３で冷却された第２液状熱媒体は、停止状態のチラーユニット２００を経由して、不図示の室内機に供給される。

図４は、本実施の形態に係る熱源機１０の中間期における動作の例を示す図である。中間期には、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の双方が運転する。これにより、熱源機１０の負荷の一部がフリークーリングユニット１００で処理され、チラーユニット２００の負荷が軽減されるため、熱源機１０の運転効率を高めることができる。

熱源機１０から流出する第２液状熱媒体の出口温度は、熱源機１０の後段側のチラーユニット２００によって調節される。このため、前段側のフリークーリングユニット１００では、ポンプ１１１の駆動周波数及び流量調節弁１１５の開度がそれぞれ一定の値に設定されるようにしてもよい。本実施の形態では、ファン１１６ａ及びファン１１６ｂの回転速度は、図６を用いて後述するように、排気温度に基づいて制御される。

図５は、本実施の形態に係る熱源機１０の夏期における動作の例を示す図である。外気温度が高い夏期には、フリークーリングユニット１００が停止し、チラーユニット２００が運転する。これにより、フリークーリングユニット１００によって第２液状熱媒体を冷却するのが困難となる夏期にも、チラーユニット２００によって第２液状熱媒体を冷却することができる。

図６は、本実施の形態に係る熱源機１０のフリークーリングユニット１００の制御部１２０で実行される制御の流れを示すフローチャートである。図６に示す制御は、フリークーリングユニット１００の運転中に所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１では、制御部１２０は、チラーユニット２００の制御部２２０との通信によって取得される情報に基づき、チラーユニット２００が運転中であるか否かを判定する。チラーユニット２００が運転中である場合にはステップＳ２に進み、チラーユニット２００が停止中である場合には処理を終了する。

ステップＳ２では、制御部１２０は、外気温度が１０℃以下であるか否かを判定する。ここで、１０℃という値は、第１閾値温度の一例である。外気温度が１０℃以下である場合にはステップＳ３に進み、外気温度が１０℃よりも高い場合にはステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、制御部１２０は、温度センサ１２２ａで検出される排気温度が１５℃以上となるようにファン１１６ａの回転速度を制御するとともに、温度センサ１２２ｂで検出される排気温度が１５℃以上となるようにファン１１６ｂの回転速度を制御する。例えば、制御部１２０は、温度センサ１２２ａで検出される排気温度が１５℃未満である場合にはファン１１６ａの回転速度を上昇させ、当該排気温度が１５℃以上である場合にはファン１１６ａの回転速度を維持する。ここで、１５℃という値は、排気温度の目標温度範囲の下限値の一例である。

ステップＳ４では、制御部１２０は、外気温度が２０℃以上であるか否かを判定する。ここで、２０℃という値は、第２閾値温度の一例である。外気温度が２０℃以上である場合にはステップＳ５に進み、外気温度が２０℃未満である場合には処理を終了する。

ステップＳ５では、制御部１２０は、温度センサ１２２ａで検出される排気温度が２５℃以下となるようにファン１１６ａの回転速度を制御するとともに、温度センサ１２２ｂで検出される排気温度が２５℃以下となるようにファン１１６ｂの回転速度を制御する。例えば、制御部１２０は、温度センサ１２２ａで検出される排気温度が２５℃よりも高い場合にはファン１１６ａの回転速度を低下させ、当該排気温度が２５℃以下である場合にはファン１１６ａの回転速度を維持する。ここで、２５℃という値は、排気温度の目標温度範囲の上限値の一例である。

このように、ステップＳ２～ステップＳ５では、温度センサ１２２ａ及び温度センサ１２２ｂで検出される排気温度に基づいて、ファン１１６ａ及びファン１１６ｂの回転速度がそれぞれ制御される。これにより、フリークーリングユニット１００の排気口１３４から排出される空気の温度は、目標温度範囲に維持される。フリークーリングユニット１００の排気口１３４から排出される空気は、室外空気よりも高温である。このため、図２の太矢印で示したように、フリークーリングユニット１００の排気口１３４から排出された空気は上方に流れ、チラーユニット２００に吸い込まれる。特に、本実施の形態ではフリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００がいずれもトップフロー型であるため、フリークーリングユニット１００の排気口１３４から排出された空気は、より円滑にチラーユニット２００に吸い込まれる。チラーユニット２００に吸い込まれた空気は、チラーユニット２００の熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂに供給される。

チラーユニット２００の熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂに供給される空気の温度が低すぎると、冷媒回路２１０の高圧圧力が低下し、冷媒回路２１０の運転継続が困難になる場合がある。一方、チラーユニット２００の熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂに供給される空気の温度が高すぎると、冷媒回路２１０の運転効率が低下してしまう場合がある。本実施の形態では、フリークーリングユニット１００から排出される空気の温度が目標温度範囲に維持されるため、熱源側熱交換器２１２ａ及び熱源側熱交換器２１２ｂに供給される空気の温度を上記目標温度範囲と同程度に維持することができる。したがって、冷媒回路２１０の運転を安定して継続できるとともに、冷媒回路２１０の運転効率の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱源機１０は、フリークーリングユニット１００と、チラーユニット２００と、を備えている。フリークーリングユニット１００は、第１液状熱媒体を循環させる熱媒体回路１１０と、熱媒体回路１１０に設けられ第１液状熱媒体と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂと、第１熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂに空気を供給するファン１１６ａ、１１６ｂと、熱媒体回路１１０に設けられ第１液状熱媒体と第２液状熱媒体との熱交換を行う負荷側熱交換器１１３と、を有している。チラーユニット２００は、冷媒を循環させる冷媒回路２１０と、冷媒回路２１０に設けられ冷媒と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器２１２ａ、２１２ｂと、熱源側熱交換器２１２ａ、２１２ｂに空気を供給するファン２１６ａ、２１６ｂと、冷媒回路２１０に設けられ冷媒と第２液状熱媒体との熱交換を行う負荷側熱交換器２１４と、を有している。チラーユニット２００は、鉛直方向に見たときフリークーリングユニット１００の少なくとも一部と重なるように、フリークーリングユニット１００の上方に設置される。ここで、熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂは、第１熱源側熱交換器の一例である。ファン１１６ａ、１１６ｂは、第１ファンの一例である。負荷側熱交換器１１３は、第１負荷側熱交換器の一例である。熱源側熱交換器２１２ａ、２１２ｂは、第２熱源側熱交換器の一例である。ファン２１６ａ、２１６ｂは、第２ファンの一例である。負荷側熱交換器２１４は、第２負荷側熱交換器の一例である。

この構成によれば、チラーユニット２００は、鉛直方向に見たときフリークーリングユニット１００の少なくとも一部と重なるように設置される。このため、熱源機１０の設置面積の拡大を抑えつつ、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の双方を設置することができる。したがって、チラーユニットのみで構成された熱源機と比較して、熱源機１０の単位設置面積当たりの能力を向上できる。

また、チラーユニット２００がフリークーリングユニット１００の下方に設置される場合、チラーユニット２００からの高温の排気がフリークーリングユニット１００に吸気されてしまう。このため、フリークーリングユニット１００の性能が大幅に低下してしまう。これに対し、本実施の形態では、チラーユニット２００がフリークーリングユニット１００の上方に設置されるため、チラーユニット２００からの高温の排気がフリークーリングユニット１００に吸気されるのを防ぐことができる。フリークーリングユニット１００では冷媒が用いられていないため、熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂでの熱交換量は比較的少なく、フリークーリングユニット１００からの排気の温度はさほど高くならない。このため、フリークーリングユニット１００からの排気がチラーユニット２００に吸気されたとしても、チラーユニット２００の性能低下はほとんど生じない。

また、本実施の形態では、上下２段に設置されるフリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００をモジュール化し、そのモジュールを複数台並列して設置することにより、通常のチラーユニットの台数制御システムと同等のシステムを構築できる。

さらに、チラーユニット２００がフリークーリングユニット１００の上方に設置されることから、チラーユニット２００を高さの高い位置に設置することができる。一般にフリークーリングユニット１００の高さ寸法は２ｍ以上であるため、フリークーリングユニット１００が地面上に設置されるとすると、チラーユニット２００は地面からの高さが２ｍ以上となる位置に設置される。このため、チラーユニット２００内の圧縮機２１１ａ、２１１ｂ等の音源から、規格で定められている騒音測定点までの３次元的な距離を長くすることができる。したがって、本実施の形態の熱源機１０では、少なくともチラーユニット２００に関し、規格上の騒音レベルを低下させることができる。また、本実施の形態の熱源機１０では、チラーユニット２００内の音源が人の頭上に位置するため、人が実際に感じる騒音レベルも低下させることができる。

また、本実施の形態に係る熱源機１０は、台部２１と、台部２１から下方に延びた脚部２２と、を有する架台２０をさらに備えている。チラーユニット２００は台部２１上に設置され、フリークーリングユニット１００は台部２１の下方に設置される。この構成によれば、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の２段設置を容易に実現することができる。

また、本実施の形態に係る熱源機１０において、フリークーリングユニット１００は、ファン１１６ａ、１１６ｂを制御するように構成された制御部１２０をさらに有している。制御部１２０は、チラーユニット２００が運転している場合、熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂを通過した空気の温度である排気温度に基づいてファン１１６ａ、１１６ｂの回転速度を制御する。この構成によれば、チラーユニット２００に吸気される空気の温度を所定の温度範囲内に維持することができる。したがって、チラーユニット２００において、冷媒回路２１０の運転を安定して継続できるとともに、冷媒回路２１０の運転効率の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る熱源機１０において、制御部１２０は、外気温度が第１閾値温度以下である場合、排気温度が目標温度範囲の下限値以上となるようにファン１１６ａ、１１６ｂの回転速度を制御する。また制御部１２０は、外気温度が第１閾値温度よりも高い第２閾値温度以上である場合、排気温度が目標温度範囲の上限値以下となるようにファン１１６ａ、１１６ｂの回転速度を制御する。この構成によれば、チラーユニット２００に吸気される空気の温度を所定の温度範囲内に維持することができる。

また、本実施の形態に係るフリークーリングユニット１００は、第１液状熱媒体を循環させる熱媒体回路１１０と、熱媒体回路１１０に設けられ第１液状熱媒体と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂと、熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂに空気を供給するファン１１６ａ、１１６ｂと、熱媒体回路１１０に設けられ第１液状熱媒体と第２液状熱媒体との熱交換を行う負荷側熱交換器１１３と、ファン１１６ａ、１１６ｂを制御するように構成された制御部１２０と、を備えている。制御部１２０は、熱源側熱交換器１１２ａ、１１２ｂを通過した空気の温度である排気温度に基づいてファン１１６ａ、１１６ｂの回転速度を制御する。この構成によれば、フリークーリングユニット１００の上方にチラーユニット２００が設置されたとしても、チラーユニット２００に吸気される空気の温度を所定の温度範囲内に維持することができるため、チラーユニット２００の性能低下を防ぐことができる。したがって、熱源機１０の単位設置面積当たりの能力を向上できる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、いずれもトップフロー型であるフリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００を例示したが、フリークーリングユニット１００及びチラーユニット２００の少なくとも一方はサイドフロー型であってもよい。

１０熱源機、２０架台、２１台部、２２脚部、１００フリークーリングユニット、１０１流入口、１０２流出口、１１０熱媒体回路、１１１ポンプ、１１２ａ、１１２ｂ熱源側熱交換器、１１３負荷側熱交換器、１１３ａ第１流路、１１３ｂ第２流路、１１４バイパス回路、１１５流量調節弁、１１６ａ、１１６ｂファン、１２０制御部、１２１、１２２ａ、１２２ｂ温度センサ、１３０筐体、１３１下部筐体、１３２上部筐体、１３３吸気口、１３４排気口、２００チラーユニット、２０１流入口、２０２流出口、２１０冷媒回路、２１１ａ、２１１ｂ圧縮機、２１２ａ、２１２ｂ熱源側熱交換器、２１３ａ、２１３ｂ減圧装置、２１４負荷側熱交換器、２１４ａ、２１４ｂ第１流路、２１４ｃ第２流路、２１５アキュムレータ、２１６ａ、２１６ｂファン、２２０制御部、２２１温度センサ、２３０筐体、２３１下部筐体、２３２上部筐体、２３３吸気口、２３４排気口、３００熱媒体回路、３０１熱媒体配管。

Claims

第１液状熱媒体を循環させる熱媒体回路と、
前記熱媒体回路に設けられ前記第１液状熱媒体と空気との熱交換を行う熱源側熱交換器と、
前記熱源側熱交換器に空気を供給する第１ファンと、
前記熱媒体回路に設けられ前記第１液状熱媒体と第２液状熱媒体との熱交換を行う負荷側熱交換器と、
前記第１ファンを制御するように構成された制御部と、を有するフリークーリングユニットと、
冷媒を循環させる冷媒回路と、
前記冷媒回路に設けられ前記冷媒と空気との熱交換を行う第２熱源側熱交換器と、前記第２熱源側熱交換器に空気を供給する第２ファンと、
前記冷媒回路に設けられ前記冷媒と前記第２液状熱媒体との熱交換を行う第２負荷側熱交換器と、を有するチラーユニットと、
台部と、前記台部から下方に延びた脚部と、を有する架台と、備え、
前記チラーユニットは前記台部上に設置され、前記フリークーリングユニットは前記台部の下方に設置され、
前記制御部は、前記チラーユニットが運転している場合、前記熱源側熱交換器を通過した空気の温度である排気温度に基づいて前記第１ファンの回転速度を制御する熱源機。