JP2012220104A - 配管システム - Google Patents

Abstract

【課題】配管路を真空（負圧）として安定に運転可能な実用的で信頼性のある配管システムを実現する。
【解決手段】一連の配管路１により密閉型の循環経路を構成し、その途中に組み込んだ循環ポンプ４によって流体を循環させる配管システムにおいて、循環ポンプを配管路の低所に設置してその吐出側に大気開放型の膨張タンク７を接続する。膨張タンクを昇降可能としてその設置位置を上下方向に変更可能とする。複数の管体どうしを差し込み継手によって気密裡に接続して配管路を構成する。クリーンルームを対象とする空調用の冷水循環経路に適用し、熱源機との間で熱交換を行って冷水を調整する熱交換器１５を組み込み、空調機６を低圧力損失型のファンコイルユニットとする。配管路に脱気装置２０、泡検出機構３０、空気排出機構を組み込む。
【選択図】図１

Description

本発明は各種流体を一連の密閉配管路内において循環させるための配管システム、特にクリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環系統に適用して好適な配管システムに関する。

周知のように、この種の配管システムとしてはたとえば特許文献１に示されるような密閉型のシステムが最も一般的である。
図６は、クリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環系統にその種の配管システムを適用した場合の一例を示すもので、チラー等の熱源機に接続した立ち上がり管２（往管２ａおよび還り管２ｂ）およびクリーンルーム内の天井部に設置した横引き管３（往管３ａおよび還り管３ｂ）によって一連の配管路１を構成し、冷却媒体としての冷水を図中の矢印のように熱源機（図示略）に通しつつ、かつ三方弁５の操作によって水温を調整しつつ、循環ポンプ４によって配管路１を循環させることによって、所定水温に調製した冷水を横引き管３に接続したファンコイルユニット（ＦＣＵ）等の空調機６に対して循環供給して冷房を行うようにしたものである。

このような配管システムでは、図示しているように大気開放型の膨張タンク７を配管路１全体よりも高所に設置して膨張管８を介して循環ポンプ４の吸込側に対して接続することにより、配管路１内全体の水圧を大気圧以上（正圧）に維持した状態で運転を行うことが通常である。
そのため、上記従来の配管システムでは配管路１に万一リークが発生するとそのリーク部より冷水が漏出してしまうことになるから、半導体製造施設のように万一の漏水事故も許されないような施設においてはそのような配管路１を天井部に設置することは好ましくないとされている。

なお、非特許文献１には、膨張タンクを配管路１の最高部よりも低い位置に設置するとともに循環ポンプの吐出側に接続することにより、配管路内を真空（大気圧以下の負圧）にして運転を行うという重力真空式の配管システムも提案されている。
このような重力真空式の配管システムでは、配管路に万一リークが発生した場合には配管路に空気が吸い込まれるだけで冷水の漏出が生じる余地がなく、したがって漏水事故を防止するうえでは有利であると考えられる。

特開平７−１１３１８５号公報

柳町、「連載 匠の空調／新省エネ編 第７回 水を漏らさぬ冷温水配管／配管工事のコスト低減」、省エネルギー、財団法人省エネルギーセンター、2002年、vol.54、No.11、p.57-63

上記のような重力真空式の配管システムは漏水事故を防止するうえでは基本的に有効なシステムであると考えられてはいるものの、非特許文献１には配管路内を真空とするための基本的な考え方が示されているに過ぎず、現時点では実用化されるに至っていないことから、上記のようなシステムを真に実用的で信頼性のある配管システムとして確立するための方策が種々模索されているのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明は高低差のある一連の配管路によって密閉型の循環経路を構成し、該配管路の途中に組み込んだ循環ポンプによって流体を循環させるための配管システムであって、前記循環ポンプを前記配管路の低所に設置して、該循環ポンプの吐出側に大気開放型の膨張タンクを接続するとともに、該膨張タンクを昇降可能としてその設置位置を上下方向に変更可能とし、前記膨張タンクを前記配管路の最高部よりも高所に配置した状態で該膨張タンクより前記配管路内へ前記流体を流下せしめて充満せしめ、前記膨張タンクを前記配管路の最高部よりも低所に配置した状態で前記循環ポンプを運転することにより、前記配管路の少なくとも高所での内圧を大気圧以下の負圧に維持した状態で前記流体を循環せしめる構成としたことを特徴とする。

本発明においては、複数の管体どうしを差し込み継手によって気密裡に接続することで前記配管路を構成することが好ましい。

また、本発明においては、前記配管路をクリーンルームを対象とする空調用の冷水循環経路として構成し、該配管路に熱源機との間で熱交換を行って冷水を調整する熱交換器を組み込むことが好ましい。
その場合においては、クリーンルームに設置する空調機を低圧力損失型のファンコイルユニットとすることが好ましい。

さらに、本発明においては、前記配管路に脱気装置を組み込んだり、前記配管路の高所に泡検出機構を組み込んだり、前記配管路の最高部に空気排出機構を組み込むことも好ましい。

本発明の配管システムは、膨張タンクを配管路の最高部よりも低い位置に設置するとともに循環ポンプの吐出側に接続したことにより、非特許文献１に示される真空重力式のシステムと同様に配管路内を真空（大気圧以下の負圧）とした運転が可能であり、それにより万一の漏水をも防止し得るものであるので、万一の漏水事故が許されないような施設に要求される高度の信頼性と安全性を十分に確保し得るものである。
また、膨張タンクを昇降可能としてその位置を上下方向に変更可能としているので、運転時には配管路内の圧力を適正な負圧に維持し得る位置に膨張タンクを配置可能であることはもとより、運転開始に先立って行う必要のある水張り時には膨張タンクを配管路の最高部よりもさらに高所に配置することにより配管路に対して支障なく水張りを行うことが可能である。

特に、配管路を構成する複数の管体どうしを差し込み継手によって気密裡に接続したり、クリーンルームを対象とする空調用の冷水循環経路として構成する場合においては熱源機との間で熱交換を行って冷水を調整する熱交換器を組み込んだうえで空調機として低圧力損失型のファンコイルユニットを用いるようにしたり、配管路に脱気装置や泡検出機構や空気排出機構を組み込むことによって、配管路を真空とした状態での運転を安定かつ確実に行うことが可能であるから、クリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環用の配管システムとして最適である。

本発明の配管システムの実施形態を示すもので、その全体概略構成を示す系統図である。 同、配管路を構成するための差し込み継手の概略構成とその気密性能を示す図である。 同、空気排出機構の概略構成を示す図である。 同、具体的な実施例を示す図である。 同、実施例における配管路各部の圧力分布を示す図である。 従来一般の配管システムの一例を示す系統図である。

図１に本発明の実施形態である配管システムの概要を示す。これは図６に示した従来の配管システムと同様にクリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環系統への適用例であるので、その従来のシステムと共通する要素については同一符号を付してある。

本実施形態の配管システムは、基本的には図６に示した従来一般の配管システムと同様に、立ち上がり管２（往管２ａおよび還り管２ｂ）および横引き管３（往管３ａおよび還り管３ｂ）によって高低差のある一連の配管路１を構成し、床面に設置した循環ポンプ４をその配管路１全体の低所に対して接続し、その循環ポンプ４によってクリーンルーム内の天井部に設置した空調機６に対して冷水を循環供給するものである。

但し、図６に示した従来の配管システムでは、膨張タンク７を循環ポンプ７の吸込側に対して接続するとともに配管路１全体よりも高所（すなわち横引き管３よりも高所）の位置に設置するのに対し、本実施形態では膨張タンク７を循環ポンプ７の吐出側に対して接続するとともに、その膨張タンク７を昇降可能に設置してその位置を上下方向に変更可能としている。

それにより本実施形態の配管システムでは、通常の運転時には膨張タンク７の位置を実線で示すように配管路１全体の最高部よりも低所の位置に配置することにより、非特許文献１に示されている重力真空式の配管システムと同様に配管路１内を真空（大気圧以下の負圧）に維持した状態で運転を行うことができるものとなっている。
また、運転開始前の配管路１への冷水供給時つまり配管路１への水張り時には、膨張タンク７を破線で示すように上方に引き上げて配管路１の最高部よりも高所の位置に配置することにより、配管路１から空気を排気しつつ配管路１全体に冷水を容易に充満させることが可能となっている。

なお、上記のように膨張タンク７を昇降可能に設置するためには、膨張タンク７を適宜の昇降機構９により天井部より吊り支持して手動操作ないし適宜の駆動機構によって昇降機構を操作して昇降させるように構成すれば良く、そのための昇降機構９としてはたとえば最も簡易なものとしてチェーンブロックが好適に採用可能である。
また、膨張タンク７と配管路１とを接続している膨張管８は膨張タンク７の昇降に支障を来さないように柔軟なホース等のフレキシブルな管体とすれば良い。

以上の基本的な構成に加えて、本実施形態の配管システムでは、配管路１内を真空に維持した状態で安定な運転を行うために、以下の構成が採用されている。

本実施形態の配管システムは、配管路１内を真空とすることから配管路１に万一リークが生じても漏水が生じる余地はないが、配管路１内に空気が漏入する余地はあり、その場合には循環ポンプ７の性能が低下して冷水循環に支障を来す懸念もあるので、それを防止するための対策として、本実施形態では配管路１を空気漏れの無い継手である差し込み継手を用いて構成している。
具体的には、配管路１を構成するための管体を鉄管ないし塩ビ管とし、図２（ａ）に示すように接続するべき双方の管体１０の一方を差し込み管１０ａとして他方を受け入れ管１０ｂとし、各々の接触面を十分に平滑に研磨して傷のない平滑仕上げとしておき、接触面に真空グリスを塗布し、差し込み長さを25mm程度確保したうえで、双方のフランジ１１どうしをボルト１２により締結することによって接続するようにしている。
このような差し込み継手はガラス管による真空配管路を形成する際に採用されているものであり、これによれば図２（ｂ）に示す気密試験結果から明らかなように、従来一般の鋼管フランジによる継手に比べて高度の真空を長時間維持可能な優れた空気漏入防止性能を有するものである。

従来の配管システムでは、図６に示したように配管路１に対してチラー等の熱源機が直接接続されていて、循環ポンプ７は冷水をその熱源機に通しつつ循環させる構成であったのに対し、本実施形態では上記の配管路１を二次側の空調系統として一次側の熱源系統とは熱交換器１５（たとえばプレート式熱交換器が好適に採用可能である）を介して接続しており、これにより双方の系統は圧力的に絶縁されたものとなっている。
したがって本実施形態の配管システムでは、二次側の空調系統としての配管路１における圧力を一次側の熱源系統とは独立して制御することが可能であり、それにより配管路１における圧力を熱源系統の影響を受けることなく最適にかつ容易に制御し得るものであって、配管路１を真空に維持した状態での安定な運転が可能である。

本実施形態の配管システムでは、運転時における配管路１全体の真空状態を確実に維持するためには、配管路１における最高圧を−0.5〜−1.0mAq（−0.005〜−0.01Mpa）程度としたうえで、最低圧はキャビテーションの発生を防止するために−6〜−7mAq（−0.06〜−0.07Mpa）程度とすることが適当であり、したがって配管路１全体での許容圧力損失（機器圧損と管路圧損の合計）を-5.5〜−6mAq（−0.055〜−0.06Mpa）程度に抑制する必要があり、そのため本実施形態ではクリーンルームに設置する空調機６として低圧力損失型のファンコイルユニットを用いている。
すなわち、従来一般的なファンコイルユニットの機器圧損は-5.5mAq程度であるから、それをそのまま使用するとそれ自体でほぼ許容圧力損失に達してしまって管路圧損をあまり見込むことができず、そのため１系統当たりの所要配管長を抑制する必要があり、結果として系統数を多くせざるを得ない。
そこで、本実施形態では、冷水コイル内配管の冷水流量が通常のものに比べて半分程度の小流量型としてそこでの圧力損失を−0.5mAq程度にまで低減せしめた低圧力損失型のファンコイルユニットを空調機６として用いることとする。これにより管路圧損を−5〜−5.5mAq程度まで見込むことができるから、管路相当長がたとえば100m以上であってもその管路圧損を含めた全圧力損失を許容限度内に支障なく抑制することが可能となり、それにより安定な真空運転が可能となるし、１系統当たりの配管長を十分に長くして系統数を抑制することが可能となって合理的かつ実用的な空調設備を実現することができる。

本実施形態の配管システムには、配管路１内を循環する冷水中の空気を除去するための脱気装置２０が備えられている。
周知のように、大気に晒されている水は20℃において0.019cm³／ｇの空気を溶存しており、水を真空にするとその溶存空気は気体となり泡となって配管路１内を浮遊して循環ポンプ７の能力を低下させてしまうことから、本実施形態の配管システムでは水中の空気分子を膜により分離するための脱気装置２０を立ち上がり管２（還り管２ｂ）の途中に設置して、その脱気装置２０を適宜運転することにより水中の溶存酸素を脱気して循環ポンプ７を安定に運転するものである。
具体的には、配管路１における内圧が例えば−7mAqでありかつ水温12℃の場合においては、気泡を生じない限界の溶存空気濃度は0.0066cm³／ｇであるから、冷水中の溶存空気濃度を測定して上記の限界値を超えないように脱気装置２０を運転し制御することにより、真空運転に伴う冷水からの泡の発生を確実に防止することができる。なお、冷水の酸素濃度を測定してその値を5倍して空気濃度を推定し、それに基づいて脱気装置２０を運転・制御することでも良いし、あるいは配管路１内における水流の状況を適宜目視確認して泡が認められた場合には脱気装置２０を強制運転するようにしても良い。

本実施形態の配管システムには、配管路１内に万一空気が漏入した場合、あるいは配管路１内において空気が泡として発生した場合、その空気を集積して検出するための泡検出機構３０が備えられている。
すなわち、図１に示すように、配管路１の高所となっている横引き管３（還り管３ａ）の末端部にその管路よりもやや大径の透明管３１を設置し、その透明管３１上に立ち上げた垂直管の頂部に泡センサ３２を装着した構成の泡検出機構３０が設置されている。
これにより、配管路１内を泡となって流れる空気は透明管３１に達するとそこで流速が低下して透明管３１の上部に集積されるので、外部からの目視観察により泡の有無や状況を確認できる。また、透明管３１に集積された泡は垂直管から泡センサ３２に浮上し、そこで光が照射されてその反射光がＣｄセンサ等の光センサによって検出されることにより泡の有無や状況が光学的にも検出される。
なお、泡検出機構３０に集積された泡は最終的には真空ポンプ３３あるいはエア抜き弁により排気すれば良い。
また、泡検出機構３０を設置する管路はその泡検出機構３に向かってやや上り勾配となるように配管することが好ましい。

さらに、本実施形態の配管システムには、上記の泡検出機構３０に代えて、あるいはそれに加えて、配管路１の最高部にたとえば図３に示すような空気排出機構４０を設置することも好ましい。
その空気排出機構４０は、空気溜まりとなるタンク４１と、そのタンク４１に接続された真空タンク４２および真空ポンプ４３と、それらに付設された液面センサ４４ａ、４４ｂ、真空計４５ａ、４５ｂ、真空バルブ４６からなり、配管路１内に漏入したり配管路１内において発生した空気をタンク４１に導き、タンク４１内に溜まる空気量によって変動する水位の変化を液面センサ４４ａ、４４ｂにより検出して真空ポンプ４３を作動させることにより、タンク４１内から自動的に空気を排出するようにしたものである。
具体的には、低位置に設置した液面センサ４４ａが液面低下を検知したときに真空ポンプ４３を運転し、タンク４１および真空タンク４２にそれぞれ設けられた真空計４５ａ、４５ｂの圧力を比較して真空タンク４２の方が低圧であることを確認した時点で真空バルブ４６を開として排気を行い、液面センサ４４ｂにより液位が上昇して回復したことを検知したら真空バルブ４６を閉じて真空ポンプ４３を停止することにより、タンク４１内に溜まる空気を自動的に排気することができる。

以上のように、本実施形態の配管システムは、膨張タンク７を配管路１の最高部よりも低い位置に設置するとともに循環ポンプ４の吐出側に接続したことにより、非特許文献１に示される真空重力式の配管システムと同様に配管路１内を真空とした運転が可能であり、それにより万一の漏水をも防止し得るものである。
また、膨張タンク７を昇降可能としてその位置を上下方向に変更可能としているので、運転時には配管路１内の圧力を適正な負圧に維持し得る位置に膨張タンク７を配置可能であることはもとより、運転開始に先立って行う必要のある水張り時には膨張タンク７を配管路１の最高部よりもさらに高所に配置することにより配管路１に対する水張りを支障なくしかも容易に行うことが可能である。

加えて、配管路１を真空とした状態での運転を安定かつ確実に行うために、上述したような様々な要素を付加することにより、本発明の配管システムは万一の漏水事故が許されないような施設に要求される高度の信頼性と安全性を十分に確保し得るものであり、特にクリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環用の配管システムとして最適である。

以下、本発明の配管システムのより具体的な実施例を図４に示す。
これは基本的には図１に示したものと同様であって、両者に共通の要素には同一符号を付しているが、膨張タンク７からの膨張管８をバルブＶ２を介して循環ポンプ４の吐出側に接続することに加えて、膨張管８をバルブＶ１を介して循環ポンプ７の吸込側にも接続してある。
また、本実施例では図１に示した泡検出機構３０や図３に示した空気排出機構４０は省略しており、それに代えて横引き管３の４個所にエア溜まり５０およびエア抜き管５１を設けてある。

上記実施例の配管システムを運転する際には、まず、配管路１への水張りのために、膨張タンク７を上昇させてその水面レベルを配管路１全体の最高部よりも高い位置とし、その状態で膨張タンク７から膨張管８を通して配管路１へ注水を行う。
その際、まずバルブＶ１を開、バルブＶ２を閉とした状態で循環ポンプ４を運転し、それにより配管路１内の空気を横引き管３に設けたエア抜き弁５１により排気しつつ注水を行う。
そのようにして配管路１内全体に冷水を充満させたら、図１に示した脱気装置２０（図４では図示略）を運転して冷水中の溶存空気を除去し、溶存空気濃度を0.7mg/L程度にする。
しかる後に、膨張タンク７を降下させて水面レベルを横引き管３のレベルよりも低い位置とし、バルブＶ１を閉じてバルブＶ２を開くことによりこの時点で膨張タンク７を循環ポンプ４の吐出側に対して接続し、その状態で負圧運転を開始すれば良い。

上記実施例の配管システムにおいて膨張タンク７の水面レベルを横引き管３よりも−１ｍとして運転を行った場合の配管路１における各部（図４に循環ポンプ４の吐出側から順にＰ１〜Ｐ９として示した９個所）の圧力分布を図５に示す。冷水流量は120、140、180、220、280L/minの５段階とした。
図５（ａ）は本発明のシステムとの比較のために膨張タンク７を循環ポンプ４の吸込側に接続した場合（膨張管８をバルブＶ１を介して循環ポンプ７の吸込側に接続した場合）であり、この場合は従来一般のシステムと同様に配管路１内全体が大気圧以上（正圧）となるから、配管路１にリークが生じた場合には漏水が懸念される。
それに対し、本発明のように膨張タンク７を循環ポンプ４の吐出側に接続した場合（膨張管８をバルブＶ２を介して循環ポンプ４の吐出側に接続した場合）には、（ｂ）に示すように循環ポンプ４の前後の位置で正圧になる場合はあるものの他の位置ではほぼ負圧となり、特に冷水流量が280L/minの場合には循環ポンプ４の吐出部の直近位置である点Ｐ１の位置で正圧になるだけで他の位置ではいずれも負圧が維持され、これにより配管路１のほぼ全体において漏水の発生を有効に防止できることが確認できた。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、すなわち膨張タンク７を昇降可能に設置するとともに、膨張タンク７を循環ポンプ４の吐出側に接続しかつ配管路１の高所より低位置に配置した状態で運転を行うように構成する限りにおいて、適宜の設計的変形や応用が可能である。

たとえば上記実施形態はクリーンルームを対象とする空調設備における冷水循環系統への適用例であることから、本発明の配管システムとしての二次側空調系統に空調機６としての低圧力損失型のファンコイルユニットを設置し、かつ一次側の熱源系統とは熱交換器１５を介して接続して圧力的に絶縁したのであるが、本発明はそのような特殊な空調設備に適用するのみならず、一般的な空調設備における冷水ないし冷温水の循環システムとして適用できることは言うに及ばず、たとえば化学工場等における薬液搬送経路等の各種流体を循環させるためのシステム、特に万一の漏洩が許されないような高度の信頼性が要求される配管システムとして広く適用できるものであるし、各部の具体的な構成もその用途や目的に応じて任意に変更して最適設計すれば良い。
また、上記実施形態のように安定な負圧運転を行うために様々な要素を付加することが好ましいが、それらの各要素は必要に応じて備えれば良く、不要な要素については省略して差し支えない。

１ 配管路
２ 立ち上がり管
２ａ 往管
２ｂ 還り管
３ 横引き管
３ａ 往管
３ｂ 還り管
４ 循環ポンプ
５ 三方弁
６ 空調機（低圧力損失型のファンコイルユニット）
７ 膨張タンク
８ 膨張管
９ 昇降機構
１０ 管体
１０ａ 差し込み管
１０ｂ 受け入れ管
１１ フランジ
１２ ボルト
１５ 熱交換器
２０ 脱気装置
３０ 泡検出機構
３１ 透明管
３２ 泡センサ
３３ 真空ポンプ
４０ 空気排出機構
４１ タンク
４２ 真空タンク
４３ 真空ポンプ
４４ａ、４４ｂ 液面センサ
４５ａ、４５ｂ 真空計
４６ 真空バルブ
５０ エア溜まり
５１ エア抜き弁

Claims (7)

1. 高低差のある一連の配管路によって密閉型の循環経路を構成し、該配管路の途中に組み込んだ循環ポンプによって流体を循環させるための配管システムであって、
   前記循環ポンプを前記配管路の低所に設置して、該循環ポンプの吐出側に大気開放型の膨張タンクを接続するとともに、該膨張タンクを昇降可能としてその設置位置を上下方向に変更可能とし、
   前記膨張タンクを前記配管路の最高部よりも高所に配置した状態で該膨張タンクより前記配管路内へ前記流体を流下せしめて充満せしめ、
   前記膨張タンクを前記配管路の最高部よりも低所に配置した状態で前記循環ポンプを運転することにより、前記配管路の少なくとも高所での内圧を大気圧以下の負圧に維持した状態で前記流体を循環せしめる構成としたことを特徴とする配管システム。
2. 請求項１記載の配管システムであって、
   複数の管体どうしを差し込み継手によって気密裡に接続することで前記配管路を構成してなることを特徴とする配管システム。
3. 請求項１または２記載の配管システムであって、
   前記配管路をクリーンルームを対象とする空調用の冷水循環経路として構成し、該配管路に熱源機との間で熱交換を行って冷水を調整する熱交換器を組み込んでなることを特徴とする配管システム。
4. 請求項３記載の配管システムであって、
   クリーンルームに設置する空調機を低圧力損失型のファンコイルユニットとしてなることを特徴とする配管システム。
5. 請求項１，２，３または４記載の配管システムであって、
   前記配管路に脱気装置を組み込んでなることを特徴とする配管システム。
6. 請求項１，２，３，４または５記載の配管システムであって、
   前記配管路の高所に泡検出機構を組み込んでなることを特徴とする配管システム。
7. 請求項１，２，３，４，５または６記載の配管システムであって、
   前記配管路の最高部に、空気溜まりとなるタンクから真空ポンプによって空気を排出するための空気排出機構を組み込んでなることを特徴とする配管システム。

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