JP2008267724A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台のヒートポンプ装置を集中的に設置する場合において、工場配管の集約性と操作性を同時に向上させ、エネルギーの有効利用と作業性の向上等を同時に達成する。
【解決手段】ヒートポンプ装置１の左右に出入口配管継ぎ手２を設置する。または、操作部３ａ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６を配し、他方の側面の近傍に圧縮機５を配し、出入口配管継ぎ手２を一方の側面に設置した第１のヒートポンプ装置１Ａと、第２のヒートポンプ装置１Ｂを備え、第２のヒートポンプ装置１Ｂを構成する圧縮機５、熱交換器６、冷媒回路、出入口配管継ぎ手２は、第１のヒートポンプ装置１Ａ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２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。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱媒体を冷却または加熱するヒートポンプ装置（冷凍機も含むものとする）に関するものである。

従来の冷凍機またはヒートポンプ装置は、例えば、冷却水またはブライン等の液状の熱媒体を、冷却または加熱する機構を有し、少なくともその熱媒体を装置内に導入するための入口配管継ぎ手と、同じく排出するための出口配管継ぎ手を有するものである。また、それらの出入り口配管継ぎ手に、装置外に設置した配管を接続して、熱媒体を所望の場所まで輸送し、冷暖房、機器の冷却／加熱、加熱／冷却加工に使用するものである。この様な従来の冷凍機またはヒートポンプ装置は、一般にチリングユニット、チラー、ヒートポンプチラーなどと呼称されている。そして、そのような装置が、例えば特許文献１に開示されている。また、この種の装置に関する工場配管の効率的な配設については、例えば特許文献２に開示されている。

特開２００３−５６９３０号公報 特開２００６−３８３２３号公報

上記のような装置を用いて、装置一台の能力を超える量の熱媒体を加熱／冷却し輸送する場合に、同じ装置か能力違いの同機種の装置を複数台集中的に設置して、各装置に熱媒体輸送用の配管を各々接合し、それら各々の配管を配管継ぎ手などで接合し、一本ないし装置設置台数よりも少ない数の配管に集約して、熱媒体を遠方へ輸送することがある。
例えば図６は、同じ装置を４台集中的に設置した例を上から見た概略図であり、各装置の外形が概六面体形状をなす場合である。ヒートポンプ装置１には、装置の動作を制御する操作部３ａが一側面に設置されている。この操作部３ａを設置した側面を正面にした装置の概略図を図７に示す。以後、この操作部３ａを設置した側面を操作面３と称する。装置の大きさは、輸送トラックの積載制限から、およそ高さ２．４ｍ、幅２ｍ、奥行き２ｍ程度のものが多いが、奥行き方向または幅方向には６ｍ程度のさらに長い装置や、全体が１ｍ以下のものも存在する。

この例では、入口配管継ぎ手２ａと出口配管継ぎ手２ｂで構成される、出入口配管継ぎ手２が、操作面３の隣接する左側面に配設されているが、他に右側面、背面、正面の側面に出入口配管継ぎ手２を設置する場合もある。
一般に出入口配管継ぎ手２の位置は装置内の部品配置に依存し、特に熱媒体を加熱冷却する機構の位置に近い場所に設置されることが多い。例えば特許文献１に記載されたような装置の場合は、一般に圧縮機により冷媒を循環させ、主に空気との熱交換により冷媒を加熱または冷却し、熱媒体と冷媒の熱交換により熱媒体を加熱または冷却するもので、熱媒体との熱交換にはプレート式熱交換器を用いることが多い。プレート式熱交換器のおよその大きさは奥行き４００ｍｍ、幅５００ｍｍ、高さ７００ｍｍ程度であり、プレート式熱交換器と出入口配管継ぎ手２を装置内部で配管により接続し、装置内での熱媒体輸送手段とするのが一般的であり、その場合には熱ロス低減とコスト低減の二つの観点から、なるべく短い配管により出入口配管継ぎ手２と上記熱交換器を接続することが望ましい。よって、出入口配管継ぎ手２の位置は、熱交換機構に近い側面とするのが効率がよく、例えば図６及び図７の場合は、熱交換器は左手に設置され、圧縮機やアキュムレータやサブクール回路などは右手に設置すると、全体の重量バランスが良く、熱効率とコストパフォーマンスの良い装置とすることが出来る。

また、出入口配管継ぎ手２を、操作面３に設置することも出来るが、操作面３に設置してしまうと、操作面付近に工場配管４が設置され操作時に邪魔になることから、一般には操作面３には出入口配管継ぎ手を設置しない。さらに、操作面３の後ろの側面（背面）にも出入口配管継ぎ手２を設置可能であるが、操作部３ａから一番遠い側面であり、装置点検時に手間が掛かるため一般には実施例は少ない。よって一般には、操作面３に隣接する右か左の側面に出入口配管継ぎ手２を設置することが望まれる。
集中的に装置１を複数台設置する場合においても、熱ロスを少なくするために装置外の熱媒体輸送用配管つまり工場配管４をなるべく短くすることが重要であり、例えば図６の様に、２台の装置を１８０度反転させて設置することで、工場配管４を短くすることが可能となる。

もし、各装置１を奥行き方向に直線的に設置すれば、工場配管の配管長は、装置の奥行きと装置間の猶予間隔の分だけ延長されることが容易に考えられ、延長された工場配管からの空中への熱交換によるロスが増大し無駄になってしまう。また、横方向に直線的に並べるならば、操作面３付近に配管があるのは邪魔になるため、後ろ側に工場配管を集約する必要があり、出入口配管継ぎ手２から出た配管を一旦後ろ側に９０度曲げる必要が生じ、工場配管のコストアップとなる。
このように、複数台の装置１を集中的に配置する場合において、図６の様に約半数の装置を１８０度反転し設置させれば、直線的に配置した場合よりも配管長を短く構成できるので熱ロスが少なく、また配管の曲げ部が少なく構成できるためコストを安くすることが可能である。しかし、各装置１の操作部３ａが離れて設置されるため、操作およびメンテナンスに手間が掛かるという問題があった。また、操作部３ａを集約するように配置するならば、今度は配管長が長くなり、配管を曲げて設置する必要が生じ、配管の集約構造が複雑になり、熱ロスと配管コストが増大するという問題があった。

従って、複数台の装置１を集中的に配置する場合においては、
（１）配管の曲げ部が少なく、配管の集約がし易い、
（２）配管長が短く、熱ロスが少ない、
（３）各装置の操作部がなるべく近くに配置され、操作及びメンテナンスがし易い、
という以上の３点が同時に満足される様な装置構造とすることが重要である。しかしながら、従来のヒートポンプ装置では一側面に出入口配管継ぎ手２が設置されるため、上記３点を同時に満足することは不可能であった。

本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも、熱媒体を加熱または冷却する機構と、前記熱媒体を装置内に導入するための入口配管継ぎ手と、前記熱媒体を装置外へ排出するための出口配管継ぎ手を有したヒートポンプ装置において、前記入口配管継ぎ手または出口配管継ぎ手を複数設置したものである。なお、前記装置の外形が少なくとも底面を有し、かつ複数の側面を有する形状であり、前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を、前記側面の２つ以上に、少なくとも各１個以上設置するのが好ましい。特に、前記装置の外形が略六面体形状をなし、前記側面のうちの１つの側面に装置操作部を設置し、前記装置操作部を設置した側面に隣接する右左の両側面に、前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を少なくとも各１個以上設置するのが好ましい。また、上記ヒートポンプ装置を、前記入口配管継ぎ手または前記出口配管継ぎ手を有する側面を向かい合わせにして、複数配置したものである。

また、本発明のヒートポンプ装置は、少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒と熱交換して熱媒体を加熱または冷却する熱交換器と、前記圧縮機と前記熱交換器をつなぐ冷媒回路と、前記熱媒体を装置内に導入するための入口配管継ぎ手と、前記熱媒体を装置外に排出するための出口配管継ぎ手とを有した略六面体形状のヒートポンプ装置において、１つの側面に装置操作部を設置し、前記装置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前記熱交換器を配し、前記装置操作部を設置した側面に隣接した左右側面の他方の側面の近傍に前記圧縮機を配し、前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を、前記一方の側面に設置したものである。さらに、この態様の装置である第１のヒートポンプ装置と、第２のヒートポンプ装置とを備え、第２のヒートポンプ装置はそれを構成する圧縮機、熱交換器、冷媒回路、入口配管継ぎ手、及び出口配管継ぎ手が、前記第１のヒートポンプ装置のそれらを前記第１のヒートポンプ装置の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、前記第１と第２のヒートポンプ装置を、前記出入口配管継ぎ手を有する側面を向かい合わせにして少なくとも１組配置したものである。

上記ヒートポンプ装置は、複数台の装置を集中的に設置する場合において、曲げ部の少ない且つ配管長の短い熱媒体輸送用の工場配管を構成することが可能となり、且つ、各装置の操作部を近くに配置構成することが可能になる。したがって、工場配管のコスト抑制と、熱媒体輸送時の工場配管からの熱ロス抑制と、操作とメンテナンス作業効率の向上につながる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置１の正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図である。図１のように、装置操作部（以下、操作部という）３ａを有した側面（操作面）３の左右両側面に、熱媒体を装置１に出し入れするための出入口配管継ぎ手２（出口配管継ぎ手２ａ、入口配管継ぎ手２ｂ）を配設した装置を用いて、複数台の装置を図２に示すように集中的に設置すれば、熱媒体輸送用の工場配管の曲げ部を少なく、配管長を短く、且つ各装置の操作部を近くに配置構成することが可能になる。
なお、この装置１の内部には、例えば点線で示すような、熱媒体と冷媒を熱交換するための機構である熱交換器６と、該冷媒を加熱または冷却する回路に使用される圧縮機５と、それらをつなぐ配管を含んだ冷媒回路７と、出入口配管継ぎ手２と熱交換器６をつなぐ装置１内の熱媒体配管８などが配置されている。ただし、実施の形態１では、これらの機器の配置は図１の態様に限定されるものではない。

実施例１．
図１は実施の形態１における当該装置１の正面図であり、当該装置１には例えばＲ４０７Ａ等の冷媒を圧縮機５により循環させ、主に空気と熱交換して冷媒を冷却または加熱するための機構と、該冷媒と熱媒体を熱交換する熱交換器６と、熱媒体を工場配管に接続するための出入口配管継ぎ手２を有し、操作面３の左右両側にその出入口配管継ぎ手２を配設している。

図２は図１のヒートポンプ装置１を複数台集中的に設置した場合の装置配置と工場配管集約の例を示す平面図である。図２に示すように、入口配管継ぎ手２ｂまたは出口配管継ぎ手２ａを有する側面を向かい合わせにしてヒートポンプ装置１を複数配置したことにより、各装置１の操作面３を向かい合わせて集中的に配置することと、直線的かつ短い工場配管４の構成が同時に可能となり、操作とメンテナンスの効率向上と、工場配管のコストを抑制と、熱媒体の輸送時に発生する工場配管からの熱ロスの抑制とが、同時に達成できる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置１Ａの正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図である。ここでは、操作部３ａが設置してある操作面３に隣接する左側面に、出入口配管継ぎ手２を設置している。この装置１Ａの内部には、例えば点線で示す、熱媒体と冷媒を熱交換するための機構である熱交換器６と、該冷媒を加熱または冷却する回路に使用される圧縮機５と、それらをつなぐ配管を含んだ冷媒回路７と、出入口配管継ぎ手２と熱交換器６をつなぐ装置１内の熱媒体配管８などが配置されている。 また、図４は本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置１Ｂの正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図である。ここでは、操作部３ａが設置してある操作面３に隣接する右側面に、出入口配管継ぎ手２を設置している。また、このヒートポンプ装置１Ｂは、少なくともそれを構成する熱交換器６、圧縮機５、冷媒回路７、熱媒体配管８が、出入口配管継ぎ手２も含めて、図３のヒートポンプ装置１Ａのそれらを該ヒートポンプ装置１Ａの底面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構成されている。

図３と図４に示すヒートポンプ装置１Ａ，１Ｂを併用して、図５に示すように、複数台の装置１Ａ，１Ｂを集中的に設置すれば、熱媒体輸送用の工場配管の曲げ部を少なく、配管長を短く、且つ各装置の操作部を近くに配置構成することが可能になる。

また、上記のように、２つの装置１Ａ、１Ｂの各部品を１８０度回転させた態様に配置すれば、熱交換器６と圧縮機５とをつなぐ冷媒回路７の配置及び構造と、出入口配管継ぎ手２と熱交換器６をつなぐ熱媒体配管８の配置及び構造を、装置１Ａと装置１Ｂで共有化出来るため、装置の生産において利便性が高い。
なお、実施の形態１では、工場配管の集約化と操作面３の集中化を効率良く実施出来るが、装置１の両側に出入口配管継ぎ手を設置するため、装置１内の配管構造が複雑になり、装置１内の配管長が長くなり易い。しかし、実施の形態２では、出入口配管継ぎ手２は装置１Ａ，１Ｂの片側のみに配設され、熱交換器６と出入口配管継ぎ手２の距離が短く構成出来るため、装置自体のコストと装置内での熱ロスを実施の形態１より改善することが出来る。

実施例２．
ここでは図３及び図４の装置１Ａ，１Ｂを利用してヒートポンプ装置を複数台集中配置する。なお、装置１Ａ，１Ｂでは、例えばＲ４０７Ａ等の冷媒を圧縮機により循環させ、主に空気と熱交換して冷媒を冷却または加熱するための機構（冷凍サイクル機構）と、冷媒と熱媒体を熱交換する機構である熱交換器６と、熱媒体を工場配管に接続するための出入口配管継ぎ手２を有している。

次に、装置１Ａ，１Ｂ内の具体的な構成を説明する。熱媒体と冷媒の熱交換器６はプレート式熱交換器を用いた。圧縮機５には２０馬力程度のスクロール圧縮機を４台用いた。尚、図３及び図４では簡単のために一台の圧縮機を記載している。熱媒体を冷却する時の基本的な冷媒の経路は、圧縮機５から吐出された冷媒は四方切替弁を通過し、シェルアンドチューブ型の空気熱交換器に送られ、プレート式熱交換器に送られ、プレート式熱交換器から圧縮機５に戻ってくる様に構成されている。冷媒の経路は、主に銅管により構成され、途中に、継ぎ手類、弁類、フィルタ類を適当に配置しているが、図中には簡単のため記載していない。

また、出入口配管継ぎ手２は、直径約９０ｍｍ長さ約１００ｍｍのステンレス鋼管にボルト締め付け方式のフランジを水密溶接して作製したが、特にフランジが無くとも、工場配管と直接溶接やろう付けにより接合するための溶接継ぎ手やろう付け用継ぎ手でも良く、またはクランプ形状の配管接続器を使用する方法でも良く、その他の一般的な配管接合方法でも良い。

出入口配管継ぎ手２を設置した側面から、熱交換器６の最短距離を１００ｍｍにして熱交換器６を配置し、熱交換器６と出入口配管継ぎ手２の接合は、直径約９０ｍｍ、長さ１００ｍｍのステンレス鋼管（熱媒体配管８）を溶接接合した。この様に熱交換器６と出入口配管継ぎ手２の接続を出来るだけ短く構成することは、装置のコストと熱ロスの削減につながる。熱交換器６の大きさは、奥行き４００ｍｍ、幅５００ｍｍ、高さ７００ｍｍ程度とし、圧縮機５は、４台で奥行き４００ｍｍ、幅９００ｍｍ、高さ８００ｍｍ程度のスペースに配置した。圧縮機５の大きさと熱交換器６の大きさとその他の部品配置の関係から、圧縮機５と熱交換器６の両方を、左側面あるいは右側面の片側に寄せて配置することは、装置の大きさに制限があるため難しく、例えば図３では左側に熱交換器６を設置し、右側に圧縮機５を設置した。

操作面３と圧縮機５と熱交換器６の位置関係を変えずに、出入口配管継ぎ手２を右側面あるいは左側面に切り替えて設置すると、熱交換器６と出入口配管継ぎ手２が反対の側面に設置される場合、つまり、熱交換器６が左側面側に設置されているのに出入口配管継ぎ手２を右側面に配置する場合に、装置内の配管を延長して配管の曲げ部を複数追加しなければならず、装置のコストと配管からの熱ロスが増大してしまう。
そこで、本実施例では、圧縮機５、熱交換器６、圧縮機５と熱交換器６を接続する冷媒回路７、出入口配管継ぎ手２、出入口配管継ぎ手２と熱交換器６を接続する熱媒体配管８を、一括して約１８０°反転させて装置に配置すれば、冷媒回路７、熱媒体配管８及びそれらに付随する支持金などの部品が共用化出来ると共に、熱媒体配管８をごく短く出来るため、装置のコストと熱媒体配管８からの熱ロスも改善できる。

図５にはヒートポンプ装置１Ａと１Ｂを組合せ設置した具体例を示す。ここでは、４台のヒートポンプ装置（装置１Ａと装置１Ｂを各２台）を使用し、ヒートポンプ装置１Ａと１Ｂを、出入口配管継ぎ手２を有する側面を向かい合わせに配置して１組とし、そのような組を２組つないだ構成としている。
４台のヒートポンプ装置を図５に示す態様に設置することにより、各装置１Ａ，１Ｂの操作面３を向かい合わせて集中的に配置することと、直線的かつ短い工場配管４の構成が同時に可能となり、操作とメンテナンスの効率向上と、工場配管のコストを抑制と、熱媒体の輸送時に発生する工場配管からの熱ロスの抑制とが、同時に達成できる。また、装置自体のコストと装置内での熱ロスを従来例と同等にすることが出来る。

なお、図２及び図５では、それぞれ４台のヒートポンプ装置を組合せた例を示したが、ヒートポンプ装置２台の組合せ、あるいは４台以上の組合せの場合にも本発明が適用できる。

本発明は、冷媒により熱媒体を冷却または加熱するヒートポンプ装置の、部品配置と配管構造に関するもので、エネルギーの有効利用とシステムのコストダウンと作業性の向上に利用出来る。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置１の正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図。 図１のヒートポンプ装置を複数台集中的に設置した場合の装置配置と工場配管集約の例を示す平面図。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置１Ａの正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置１Ｂの正面図であり、内部に配置された機器を一部示した図。 図３と図４のヒートポンプ装置を組み合わせて複数台集中的に設置した場合の装置配置と工場配管集約の例を示す平面図。 従来のヒートポンプ装置を組み合わせて複数台集中的に設置した場合の装置配置と工場配管集約の例を示す平面図。 従来のヒートポンプ装置の正面図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ ヒートポンプ装置、２ 出入口配管継ぎ手、２ａ 出口配管継ぎ手、２ｂ 入口配管継ぎ手、３ 操作面、３ａ 操作部、４ 工場配管、４ａ 送り工場配管、４ｂ 戻り工場配管、５ 圧縮機、６ 熱交換器、７ 冷媒回路、８，８ａ，８ｂ 熱媒体配管。

Claims (6)

1. 少なくとも、熱媒体を加熱または冷却する機構と、前記熱媒体を装置内に導入するための入口配管継ぎ手と、前記熱媒体を装置外へ排出するための出口配管継ぎ手を有したヒートポンプ装置において、
   前記入口配管継ぎ手または出口配管継ぎ手を複数設置したことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記装置の外形が少なくとも底面を有し、かつ複数の側面を有する形状であり、前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を、前記側面の２つ以上に、少なくとも各１個以上設置したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 前記装置の外形が略六面体形状をなし、前記側面のうちの１つの側面に装置操作部を設置し、前記装置操作部を設置した側面に隣接する右左の両側面に、前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を少なくとも各１個以上設置したことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ装置を、前記入口配管継ぎ手または前記出口配管継ぎ手を有する側面を向かい合わせにして、複数配置したことを特徴とするヒートポンプ装置。
5. 少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒と熱交換して熱媒体を加熱または冷却する熱交換器と、前記圧縮機と前記熱交換器をつなぐ冷媒回路と、前記熱媒体を装置内に導入するための入口配管継ぎ手と、前記熱媒体を装置外に排出するための出口配管継ぎ手とを有した略六面体形状のヒートポンプ装置において、
   １つの側面に装置操作部を設置し、前記装置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前記熱交換器を配し、前記装置操作部を設置した側面に隣接した左右側面の他方の側面の近傍に前記圧縮機を配し、
   前記入口配管継ぎ手と前記出口配管継ぎ手を、前記一方の側面に設置したことを特徴とするヒートポンプ装置。
6. 請求項５に記載の第１のヒートポンプ装置と、第２のヒートポンプ装置とを備え、
   第２のヒートポンプ装置はそれを構成する圧縮機、熱交換器、冷媒回路、入口配管継ぎ手及び出口配管継ぎ手が、前記第１のヒートポンプ装置のそれらを前記第１のヒートポンプ装置の底面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、
   前記第１と第２のヒートポンプ装置を、前記出入口配管継ぎ手を有する側面を向かい合わせにして少なくとも１組配置したことを特徴とするヒートポンプ装置。

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