JPH09287798A - 空調機ユニット及び該ユニットを組み込んだ空調システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔課題〕 空調機に流れる冷温水の流量が変わってもそ
れを補償する圧力補正型流量制御弁を空調機に付設した
空調機ユニットを提供する。 〔解決手段〕 循環経路を循環させられる冷温水を熱交
換源とする空調機Ａ_n と、該循環経路中に前記空調機Ａ
_n と直列に接続され、流入側圧力と流出側圧力との差圧
に変動が生ずると、設定された流量を確保するように自
己補償動作をする圧力補正型流量制御弁ＣＤ_n とからな
ることを特徴とする空調機ユニット。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調機と、これに
付設される圧力補正型流量制御弁とからなる空調機ユニ
ットと、この空調機ユニットを組み込んだ空調システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】循環させられる冷温水を熱交換源とする
空調機は、冷温水の流量によってその能力が左右され
る。このため、冷暖房の温度調整は、空調機を流れる冷
温水の流量制御によっている。この流量制御は、冷温水
の循環系統に単独の空調機が設置される場合は容易であ
るが、ビルの冷暖房のように循環系統に多数の空調機が
設置される場合は簡単ではない。

【０００３】図４は循環系統に多数の空調機が設置され
る場合の配置図であるが、このような空調システムで
は、主配管Ｎ中にポンプＰと熱交換器Ｓとを挿設した循
環経路を形成し、主配管Ｎから分岐配管Ｎ₁ 〜Ｎ_n を分
岐させて、各分岐配管Ｎ₁ 〜Ｎ_n に空調機Ａ₁ 〜Ａ_n と
流量制御弁Ｃ₁ 〜Ｃ_n を直列に接続する構成をとってい
る。

【０００４】この場合、各空調機Ａ₁ 〜Ａ_n に同じだけ
の流量を流そうとすると、各々の流量制御弁Ｃ₁ 〜Ｃ_n
の流量設定を同じにしていたのではならない。何故な
ら、各空調機Ａ₁ 〜Ａ_n に至る主配管Ｎ及び分岐配管Ｎ
₁ 〜Ｎ_n の長さが異なり、長いほど圧力損失が大きい。
従って、ポンプＰに近い空調機Ａ₁ 〜Ａ_n ほど、流量が
大きいということになる。この損失等を考慮して、各流
量制御弁Ｃ₁ 〜Ｃ_n の流量設定を行っている。

【０００５】しかし、いずれかの空調機Ａ₁ 〜Ａ_n を止
めたり、或いは温度設定を変えたりすると、系全体の流
量バランスが崩れる。従って、改めて、各流量制御弁Ｃ
₁ 〜Ｃ_n の流量設定をやり直さなければならないが、実
際問題、このようなことは不可能である。そこで、流量
制御弁Ｃ₁ 〜Ｃ_n によってこれを補償するようにしてい
る。

【０００６】この流量制御弁としては、従来、絞り弁、
比例制御二方弁、定流量弁等が使用されており、それぞ
れに特性が異なる。しかし、いずれの流量制御弁も一長
一短があり、流量バランスの乱れを補償するものとはな
らない。このため、これらの流量制御弁を組み合わせて
使用したりしているが、これでも十分とは言えない。
尚、これらが十分でないことは後述する。

【０００７】一方、流量制御弁を遠隔操作できるように
し、各流量制御弁には流量測定器、空調器を設置した各
部屋には温度測定器を取り付け、各部屋の設定温度に対
応した流量を確保できるように各流量制御弁を個々に制
御するような方法も考えられないではないが（例えば、
特公平７−６０００６号公報）、測定温度や測定流量を
フィードバックして流量制御弁が正常に作動するまでに
は相当時間がかかり、経費がかかる割には有効性に乏し
く、実用的ではない。

【０００８】本発明は、流量変化に伴って弁の流入側と
流出側との差圧に変動が生じた場合、この差圧を基に元
の流量に補償するような自己補償動作をする圧力補正型
流量制御弁を用いることで、この課題を解決したもので
ある。

【０００９】以上の課題の下、本発明は、循環経路を循
環させられる冷温水を熱交換源とする空調機と、該循環
経路中に前記空調機と直列に接続され、流入側圧力と流
出側圧力との差圧に変動が生ずると、設定された流量を
確保するように自己補償動作をする圧力補正型流量制御
弁とからなることを特徴とする空調機ユニットを提供す
る。

【００１０】又、本発明は、以上の圧力補正型流量制御
弁が、流入路と弁内通路との間に流入絞り弁を、弁内通
路と流出路との間に流出絞りをそれぞれ設け、流入路の
圧力と流出路の圧力との差圧に変動が生ずると、流出絞
り弁の開度で設定された流量を確保するように流入絞り
弁の開度を自動的に調整する構造のもの、そして、この
流出絞り弁の開度が遠隔操作で調整できるものを提供す
る。

【００１１】更に、本発明は、上記の空調機ユニットを
循環経路中に並列に接続し、一つのポンプで各空調機ユ
ニットに冷温水を供給することを特徴とする空調機ユニ
ットを組み込んだ空調システムを提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。尚、本発明の有用性を実証するた
めに、従来例における流量制御弁の組み合せを順を追っ
て説明し、しかる後に本発明の実施の形態を説明する。

【００１３】図５は分岐配管Ｎ_n 中に、空調機Ａ_n 、絞
り弁ＣＡ_n 及び比例制御二方弁ＣＢ_n を各々直列に接続
した場合の要部配置図である。ここで、絞り弁ＣＡ_n と
は、開度に応じた流量を流す機能を有する弁であり、比
例制御二方弁ＣＢ_n とは、設定流量（設定温度）と実流
量（実測温度）との差を指令値として流量制御する機能
を有する弁である。

【００１４】比例制御二方弁を流れる流量は以下の式で
示される。 Ｑ＝Ｃ・Ａ［（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／ρ］^1/2 〔記号〕 Ｑ ；流量（Ｌ／ｍｉｎ） Ｃ ；流量係数 Ａ ；通過面積（ｃｍ² ） Ｐ₁ ；流入側圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ） Ｐ₂ ；流出側圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ） ρ ；液体の密度（Ｋｇ・ｓ／ｃｍ）

【００１５】要するに、この比例制御二方弁の流量は、
弁の開度と弁の流入側圧力と流出側圧力との差（以下、
これを差圧という）の平方根との積に比例して多く流れ
る。図７はこの比例制御二方弁の圧力−流量特性を示す
ものである。

【００１６】ここで、比例制御二方弁は各空調機の冷暖
房能力の調整のために、絞り弁は循環経路の流量バラン
スをとるために組み込まれる。この方式によれば、系統
全体が定格流量運転されているときに流量がバランスす
るよう絞り弁を調整すれば、系統内の流量アンバランス
を少なくするという効果はあるが、比例制御二方弁が温
度調節のためにどれか一つでもその開度を変えると、系
統内の流量バランスは崩れる。

【００１７】このため、特定の比例制御二方弁の開度を
調整した場合、他の比例制御二方弁にはその設定開度で
設定した流量とは違った流量が流れたり、大きな負荷変
動があったときには過大流量が流れたりする現象が起こ
る。従って、冷暖房能力の調整精度が悪い上、過大冷暖
房による無駄なエネルギーを消費し、過大流量に伴って
騒音（シュー音）が発生するといった欠点がある。

【００１８】図６は絞り弁の代わりに定流量弁ＣＣ_n を
設けた場合の要部配置図である。ここで、定流量弁ＣＣ
_n とは、大きな負荷変動があっても、定格以上の流量を
流さないように自動的に開度を調整する弁である。

【００１９】定流量弁を流れる流量は以下の式で示され
る。 （Ｐ_{1 a} −Ｐ_{2 a} ）＜ΔＰ_a Ｑ＝Ｃ_f ・Ｑ_a （Ｐ_{1 a} −Ｐ_{2 a} ）^1/2 ΔＰ_a ＜（Ｐ_{1 a} −Ｐ_{2 a} ）＜ΔＰ_b Ｑ＝Ｑ_a ΔＰ_b ＜（Ｐ_{1 a} −Ｐ_{2 a} ） Ｑ＝Ｃ_{f a} ・Ｑ_a （Ｐ_{1 a} −Ｐ_{2 a} ）^1/2 〔記号〕 Ｑ ；流量（Ｌ／ｍｉｎ） ΔＰ_a ；制御開始差圧（Ｋｇ／ｃｍ² ） ΔＰ_b ；制御終了差圧（Ｋｇ／ｃｍ² ） Ｃ_f ；制御開始前の流量係数 Ｃ_{f a} ；制御終了後の流量係数 Ｑ_a ；定格流量（Ｌ／ｍｉｎ） Ｐ_{1 a} ；流入側圧力 Ｐ_{2 a} ；流出側圧力

【００２０】これからわかるように、この定流量弁の流
量は、弁自体の差圧が制御開始差圧から制御終了差圧の
範囲内であるか否かで変わってくる。図８はこの定流量
弁の差圧−流量特性であるが、弁の差圧が制御開始差圧
と制御終了差圧との間にある間は定流量が確保される
が、これを越えた範囲では、差圧の平方根に比例して増
大する。

【００２１】図９は比例制御二方弁と定流量弁の両方を
設置した場合の差圧−流量特性であるが、このように、
絞り弁に代えて定流量弁を用いるものは、定流量弁で定
格以上の流量が流れないようにするものであるから、大
きな負荷変動があったときでも、系の各々の空調機に定
格以上の流量が流れず、しかも、各部屋ごとの冷暖房能
力の調整も可能である。

【００２２】但し、定流量弁は定格流量以下で使用され
るときには絞り弁と同じ機能しか有していないから、定
格流量以下で比例制御二方弁の開度を調整した場合、他
の比例制御二方弁にその設定開度とは無関係な流量が流
れるといった弊害は依然として有している。従って、定
格流量以下では、冷暖房能力の調整精度が悪い上、過大
冷暖房による無駄なエネルギーを消費し、過大流量が流
れて騒音が発生するといった欠点も解消しない。

【００２３】そこで、本発明は、これらの弁に代え、流
量変化に伴って弁の差圧に変動が生じた場合、この差圧
を基に元の流量に補償するような自己補償動作をする圧
力補正型流量制御弁ＣＤ_n を用いるようにしたものであ
る。

【００２４】図１は分岐配管Ｎ_n 中に、空調機Ａ_n と圧
力補正型流量制御弁ＣＤ_n を直列に接続した場合の構成
図、図２はここで用いる圧力補正型流量制御弁ＣＤ_n の
構造の一例を示す説明図であるが、本例のものは、上流
から流入路１０、弁内通路１２、流出路１４を形成する
とともに、流入路１０と弁内通路１２との間に流入絞り
弁１６を、弁内通路１２と流出路１４との間に流出絞り
弁１８をそれぞれ配置したものである。

【００２５】そして、流出路１４に連通して調圧室２０
を設け、この調圧室２０に調圧弁２２を配してこれをス
プール２４で流入絞り弁１６に連結している。又、調圧
弁２２はスプリング２６で流入絞り弁１６の開度を開く
方向に付勢されており、弁内通路１２には調圧室２０の
背圧側に連通するパイロット通路２８も形成されてい
る。この制御弁の設定流量は流出絞り弁１８の開度（出
入り）を調整して行うものであるが、通常は、流出絞り
弁１８の出入りは電気信号等で遠隔操作できる適当なア
クチュエータ３０で行うようにしておく（勿論、手動操
作するものであってもよい）。

【００２６】この圧力補正型流量制御弁の動作概要を説
明すると、例えば、流出路１４（下流側）の圧力が上昇
した場合を想定すると、圧力補正型流量制御弁の差圧は
減少するから、このままでは、流量はその差圧の平方根
に比例した分だけ減少する。しかし、流出路１４の圧力
増大は同時に調圧室２０の圧力増大を来たすから、調圧
弁２２を進出させて流入絞り弁１６の開度を開く。する
と、流入路１０からの流入量は増大し、流量は補償され
る。

【００２７】一方、流入路１０（上流側）の圧力が上昇
した場合を想定すると、圧力補正型流量制御弁の差圧は
増大するから、流量はその差圧の平方根に比例した分だ
け増大する。しかし、流入路１０の圧力増大は弁内通路
１２と連通しているパイロット通路２８の圧力増大を来
たすから、調圧弁２２を後退させて流入絞り弁１６の開
度を閉じる。すると、流入路１０からの流入量は減少
し、平衡を保つことになる。

【００２８】この圧力補正型流量制御弁の圧力−流量特
性は以下の計算式で示される。 Ｑ＝ｃ・ｎ・ａ（ｘ）［２（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／ρ］^1/2 …
流入絞り弁の流量 Ａ_p （Ｐ₂ −Ｐ₃ ）＋ｃ・ｎ・ａ（ｘ）・２（Ｐ₁ −Ｐ
₂ ）ｃｏｓΦ−ｋ（ｘ₁−ｘ）＝０…力の釣合い Ｑ＝ｃ_a ・ａ_a ［２（Ｐ₂ −Ｐ₃ ）／ρ］^1/2 …流出絞
り弁の流量 Ｑ＝ｃ_a ・ａ_a （２ｋ・ｘ₁ ／ρ・Ａ_p ）^1/2 ｛（１−
ｘ／ｘ₁ ）／［１＋（２ｃ_a ² ・ａ_a ² ｃｏｓΦ／Ａ_p
・ｃ・ｎ・ａ（ｘ））］｝^1/2 …総合流量

【００２９】〔記号〕 ｃ；流入路の流量係数 ｎ；流入口の数 ａ（ｘ）；流入路の開口面積（ｃｍ² ） Ｐ₁ ；流入側圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ） Ｐ₂ ；弁内圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ） Ｐ₃ ；流出側圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ） Ａ_p ；調圧弁の受圧面積（ｃｍ² ） Φ；流体の流入角（°） ｃ_a ；流出路の流量係数 ａ_a ；流出路の開口面積 ｋ；スプリングのばね定数（Ｋｇｆ／ｃｍ² ） ｘ；流入絞り弁を完全に閉じた場合におけるスプリング
の自由長からの縮み（ｃｍ） ｘ₁ ；流入絞り弁を完全に閉じた位置からの流入絞り弁
の変位（ｃｍ） ρ；液体の密度（Ｋｇ・ｓ／ｃｍ） Ｑ；流量（Ｌ／ｍｉｎ）

【００３０】以上のことからわかるように、この圧力補
正型流量制御弁の流量は、ｘ／ｘ₁及びｃ_a ² ・ａ_a ²
／Ａ_p ・ｃ・ｎ・ａ（ｘ）が小さくなるように設計すれ
ば差圧に影響されないものとなる。図３はその圧力−流
量特性を示すものであるが、これからもこのことが証明
される。従って、この圧力補正型流量制御弁と空調機と
を直列に接続したものを一つの空調機ユニットとし、こ
の空調機ユニットを一つのポンプで多数の空調機に冷温
水を供給する空調システムに組み込む意義は大きい。

【００３１】

【発明の効果】以上、本発明は、上述したとおりのもの
であるから、圧力補正型流量制御弁を設けることで空調
機に常に定流量の冷温水を供給できる。従って、一つの
系に多数の空調機を設置したような場合、冷暖房調整の
ための流量調整による圧力変動時、或いは系統全体のバ
ランスをとるための圧力変動時においても、常に設定開
度に対応した流量を確保できる。この点、比例制御弁等
でフィードバッグする方式のものに比べて装置全体が安
価になり、時間遅れも生じない。更に、これらのことは
一つの制御弁で達成できるから、個々の機器の設備コス
トも安くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を示す空調機ユニットの構成図で
ある。

【図２】本発明の一例を示す圧力補正型流量制御弁の説
明図である。

【図３】本発明の一例を示す圧力補正型流量制御弁の差
圧−流量特性である。

【図４】本発明の一例を示す空調システムの配置図であ
る。

【図５】本発明の一例を示す空調システムの要部配置図
である。

【図６】本発明の一例を示す空調システムの要部配置図
である。

【図７】従来方法の一例を示す比例制御二方弁の差圧−
流量特性である。

【図８】従来方法の一例を示す定流量弁の差圧−流量特
性である。

【図９】従来方法の一例を示す比例制御二方弁＋定流量
弁の差圧−流量特性である。

【符号の説明】

Ａ_n 空調機 ＣＤ_n 圧力補正型流量制御弁 Ｐ ポンプ １０ 流入路 １２ 弁内通路 １４ 流出路 １６ 流入絞り弁 １８ 流出絞り弁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 循環経路を循環させられる冷温水を熱交
   換源とする空調機と、該循環経路中に前記空調機と直列
   に接続され、流入側圧力と流出側圧力との差圧に変動が
   生ずると、設定された流量を確保するように自己補償動
   作をする圧力補正型流量制御弁とからなることを特徴と
   する空調機ユニット。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧力補正型流量制御弁
   が、流入路と弁内通路との間に流入絞り弁を、弁内通路
   と流出路との間に流出絞りをそれぞれ設け、流入路の圧
   力と流出路の圧力との差圧に変動が生ずると、流出絞り
   弁の開度で設定された流量を確保するように流入絞り弁
   の開度を自動的に調整する構造のものである空調機ユニ
   ット。
3. 【請求項３】 請求項２記載の流出絞り弁の開度が遠隔
   操作で調整できるものである空調機ユニット。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれかに記載の空調機ユ
   ニットを循環経路中に並列に接続し、一つのポンプで各
   空調機ユニットに冷温水を供給することを特徴とする空
   調機ユニットを組み込んだ空調システム。