JP2017106643A - チラーユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒と水とを効率良く熱交換させるとともに、チラーユニットの内部における水熱交換器の配置レイアウトの自由度を高め、併せて水熱交換器周りのメンテナンス性を向上させる。【解決手段】チラーユニット１は、第１水熱交換器９Ａを有する第１冷媒サイクル系統Ｒ１と、第２水熱交換器９Ｂを有する第２冷媒サイクル系統Ｒ２と、第３水熱交換器９Ｃを共有する第３冷媒サイクル系統Ｒ３および第４冷媒サイクル系統Ｒ４と、を備え、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂは水配管１８ｂ，１８ｃにより並列に接続され、第３水熱交換器９Ｃは第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂに対して水配管１８ｄにより直列に接続され、第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂのそれぞれの容量は、第３水熱交換器９Ｃの容量よりも小さいことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の冷媒サイクル系統を収容し、各冷媒サイクル系統に接続された水熱交換器において冷媒と水とを熱交換させることにより冷水や温水を生成し、この冷温水によって室内の冷暖房や給湯を行うチラーユニットに関するものである。

上記のようなチラーユニットの例として、特許文献１の図８に開示されているものがある。このチラーユニットは、ユニット内に独立した４系統の冷媒サイクル系統を備えており、これらの冷媒サイクル系統はそれぞれ、冷媒を圧縮する圧縮機と、四方弁と、水熱交換器と、レシーバと、膨張弁と、空気熱交換器と、気液分離器とを備えて構成されている。
これらの部材のうち、水熱交換器以外はそれぞれの冷媒サイクル系統に専用に設けられているが、水熱交換器は４系統の冷媒サイクル系統について２基のみ設けられており、２系統の冷媒サイクル系統が１基の水熱交換器を共用する形になっている。

これら２基の水熱交換器は水配管によって直列に接続され、水配管の一端に設けられた水循環ポンプから水が流し込まれ、２基の水熱交換器において高温冷媒または低温冷媒と熱交換した水は温水または冷水となって冷暖房や給湯の使用部位に供される。
このように、２系統の冷媒サイクル系統によって１基の水熱交換器を共用し、さらに２基の水熱交換器を水配管で直列に接続することにより、２基の水熱交換器によって２段階に効率良く水を熱交換させるとともに、チラーユニット内における水熱交換器の数量を少なくしてチラーユニットの構成を簡略化することができる。

特許第５４０１５６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているチラーユニットでは、２系統の冷媒サイクル系統によって共用される水熱交換器の各々のサイズが大きくなるため、チラーユニットの内部における配置レイアウト性（バリエーション）に制約が加わり、例えばコンパクト性を追求して他の機材との間隔を小さくすれば整備性が悪くなるといった難点がある。
また、いずれかの水熱交換器において故障が発生した場合には、その交換単位が大きくなり、水熱交換器が大型であることから交換作業も困難になるという課題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、冷媒と水とを効率良く熱交換させるとともに、チラーユニットの内部における水熱交換器の配置レイアウトの自由度を高め、併せて水熱交換器周りのメンテナンス性を向上させることのできるチラーユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
即ち、本発明に係るチラーユニットは、第１水熱交換器を有する第１冷媒サイクル系統と、第２水熱交換器を有する第２冷媒サイクル系統と、第３水熱交換器を共有する第３冷媒サイクル系統および第４冷媒サイクル系統と、を備え、前記第１水熱交換器と前記第２水熱交換器は水配管により並列に接続され、前記第３水熱交換器は前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器に対して水配管により直列に接続され、前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器のそれぞれの容量は、前記第３水熱交換器の容量よりも小さいことを特徴とする。

上記構成とした場合、第１冷媒サイクル系統と第２冷媒サイクル系統においては、それぞれ第１水熱交換器と第２水熱交換器によって冷媒と水との熱交換が個別に行われ、第３冷媒サイクル系統と第４冷媒サイクル系統においては、第３水熱交換器を共有しながら冷媒と水との熱交換が行われる。

第１水熱交換器と第２水熱交換器とが水配管によって並列に接続されているため、第１冷媒サイクル系統と第２冷媒サイクル系統の冷媒を均等に水と熱交換させ、冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

第１水熱交換器と第２水熱交換器は、それぞれの容量を第３水熱交換器の容量の半分程度までに小さくすることができ、しかも互いに離間させて配置することができる。このため、チラーユニットの内部における第１水熱交換器と第２水熱交換器の配置レイアウトの自由度を高めることができる。

また、例えば第１水熱交換器と第２水熱交換器の相対設置間隔、あるいは他の機材との相対設置間隔を大きくして清掃、検査、調整、交換等のメンテナンス作業性を向上させることができる。

上記構成において、前記第１、第２、第３水熱交換器で熱交換される水は、前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器側から流入し、前記第３水熱交換器側から流出する構成としてもよい。

上記構成とすれば、水の圧力が高い入口側の方に第１水熱交換器と第２水熱交換器の２基の水熱交換器が設けられる態様となるため、各水熱交換器における水の偏流を抑制して冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

上記構成において、前記第１〜第４冷媒サイクル系統の全てを稼働させなくてもよい低負荷運転時には、前記第３冷媒サイクル系統または前記第４冷媒サイクル系統を優先的に稼働させる構成としてもよい。

例えば、第１冷媒サイクル系統と第２冷媒サイクル系統の一方のみを稼働させた場合には、水の流れに対して並列に設けられた第１水熱交換器と第２水熱交換器の一方においてのみ熱交換が行われる。このため、他方の水熱交換器においては水が冷媒と熱交換されることなく通過し、一方の水熱交換器において熱交換された水と混合されてしまい、熱交換効率が低下してしまう。

これに対し、第３冷媒サイクル系統または第４冷媒サイクル系統を優先的に稼働させる構成とすれば、水の流れに対して直列に設けられた第３水熱交換器においてのみ冷媒と水との熱交換が行われ、このように熱交換された水に熱交換されない水が混合されることがない。このため、冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

以上のように、本発明に係るチラーユニットによれば、冷媒と水とを効率良く熱交換させるとともに、チラーユニットの内部における水熱交換器の配置レイアウトの自由度を高め、併せて水熱交換器周りのメンテナンス性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るチラーユニットの概略構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るチラーユニットの概略構成を示す回路図である。
このチラーユニット１は、第１〜第４の４つの冷媒サイクル系統Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、水循環部３とが図示しない筐体の内部に収容された構成となっている。

第１〜第４の冷媒サイクル系統Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ、圧縮機５と、オイルセパレータ６と、逆止弁７と、四方弁８と、第１〜第３の水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃと、レシーバ１０と、電子膨張弁１１と、空冷熱交換器１２と、気液分離器１３とを備えている。空冷熱交換器１２には冷却ファン１２ａが設けられている。

圧縮機５はガス冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。オイルセパレータ６は圧縮機５から吐出された圧縮冷媒中のオイルを分離して圧縮機５に還流させる。逆止弁７は圧縮冷媒の逆流を防止する。

四方弁８は圧縮機５から吐出された圧縮冷媒を第１〜第３の水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃに送る暖房運転モードと、空冷熱交換器１２に送る冷房運転モードとの２つのポジションを選択する弁である。図１では四方弁８が暖房運転モードのポジションとなっている。

第１〜第３の水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、暖房運転モードにおいて圧縮冷媒を凝縮させ、冷房運転モードにおいて凝縮冷媒を気化させる熱交換器である。そして、その凝縮熱または気化熱により、後述するように水循環部３を流れる水を加熱または冷却して暖房用の温水または冷房用の冷水を生成する。

第１水熱交換器９Ａは第１冷媒サイクル系統Ｒ１に含まれ、第２水熱交換器９Ｂは第２冷媒サイクル系統Ｒ２に含まれる。また、第３水熱交換器９Ｃは第３冷媒サイクル系統Ｒ３と第４冷媒サイクル系統Ｒ４とに共用される。即ち、第３水熱交換器９Ｃは２層構造となっており、第３冷媒サイクル系統Ｒ３の冷媒と第４冷媒サイクル系統Ｒ４の冷媒とが混合しないように通過するようになっている。
ここで、第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂのそれぞれの容量は、第３水熱交換器９Ｃの容量よりも小さく、例えば第３水熱交換器９Ｃの半分程度に設定されている。

レシーバ１０は凝縮した液冷媒を所定量貯留するタンクである。電子膨張弁１１は凝縮冷媒の圧力を低下させて気化を促進させる。空冷熱交換器１２は冷却ファン１２ａによって外気を送風されることにより、暖房運転モードにおいて凝縮冷媒を気化させ、冷房運転モードにおいて圧縮冷媒を凝縮させる熱交換器である。気液分離器１３は圧縮機５に吸入される前の冷媒を気液分離してガス冷媒のみを圧縮機５に吸入させる。

水循環部３は、水入口部１５と、水循環ポンプ１６と、水出口部１７と、水配管１８ａ〜１８ｄとを具備して構成されている。水入口部１５から延びる水配管１８ａに水循環ポンプ１６が接続され、水配管１８ａの端部から水配管１８ｂと水配管１８ｃとが分岐し、水配管１８ｂは第１水熱交換器９Ａの内部を通過し、水配管１８ｃは第２水熱交換器９Ｂの内部を通過している。また、水配管１８ｂと水配管１８ｃとの合流部から延びる水配管１８ｄが第３水熱交換器９Ｃの内部を通過して水出口部１７に繋がっている。

このため、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂは水配管１８ｂと水配管１８ｃとによって並列に接続され、第３水熱交換器９Ｃは第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂに対して水配管１８ｄにより直列に接続されている。

このように構成された水循環部３において、水循環ポンプ１６が作動すると、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃで熱交換される水は、水入口部１５から水循環ポンプ１６を経て水配管１８ａを通り、水配管１８ｂと水配管１８ｃとに均等に分流する。そして、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂを通過した後、水配管１８ｄに合流し、第３水熱交換器９Ｃを通過して水出口部１７に流れる。

以上のように構成されたチラーユニット１は以下のように作動する。
まず、暖房運転時には、第１〜第４冷媒サイクル系統Ｒ１〜Ｒ４の四方弁８が図１に示す暖房運転モードのポジションになる。そして、少なくとも１つの圧縮機５が作動する。圧縮機５により圧縮された高温高圧の圧縮冷媒は、オイルセパレータ６にてオイル分を分離され、四方弁８を経て第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃのいずれか、もしくは全てに流れて水循環部３の水配管１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを流れる水と熱交換される。

即ち、第１冷媒サイクル系統Ｒ１の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第１水熱交換器９Ａに流れて水配管１８ｂを流れる水と熱交換され、第２冷媒サイクル系統Ｒ２の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第２水熱交換器９Ｂに流れて水配管１８ｃを流れる水と熱交換される。また、第３冷媒サイクル系統Ｒ３と第４冷媒サイクル系統Ｒ４の圧縮機５により圧縮された圧縮冷媒は第３水熱交換器９Ｃに流れて水配管１８ｄを流れる水と熱交換される。

つまり、第１冷媒サイクル系統Ｒ１と第２冷媒サイクル系統Ｒ２においては、それぞれ第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂとによって冷媒と水との熱交換が個別に行われ、第３冷媒サイクル系統Ｒ３と第４冷媒サイクル系統Ｒ４においては、第３水熱交換器９Ｃを共有しながら冷媒と水との熱交換が行われる。このように第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃにて高温な圧縮冷媒と熱交換した水は温水または熱水となり、水出口部１７から所定の暖房箇所もしくは給湯箇所に供給される。

また、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃで水と熱交換した圧縮冷媒は凝縮して液化し、レシーバ１０を経て電子膨張弁１１を通過し、ここで圧力を低下されて空冷熱交換器１２に流れ、空気と熱交換することにより気化してガス冷媒となり、四方弁８と気液分離器１３と経て再び圧縮機５に吸入される。

また、冷房運転時には、第１〜第４冷媒サイクル系統Ｒ１〜Ｒ４の四方弁８が図１に示す方向から９０°回転して冷房運転モードのポジションになる。したがって、圧縮機５により圧縮された高温高圧の圧縮冷媒は四方弁８を経て空冷熱交換器１２に流れ、冷却ファン１２ａによって外気を送風されることにより空気と熱交換して凝縮して液化し、レシーバ１０を経て第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃのいずれか、もしくは全てに流れて水循環部３の水配管１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを流れる水と熱交換して気化する。

このように、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃにて低温な冷媒と熱交換した水は冷水となり、水出口部１７から所定の冷房箇所に供給される。また、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃで水と熱交換して気化したガス冷媒は、四方弁８と気液分離器１３と経て再び圧縮機５に吸入される。

以上説明したように、本実施形態に係るチラーユニット１は、第１水熱交換器９Ａを有する第１冷媒サイクル系統Ｒ１と、第２水熱交換器９Ｂを有する第２冷媒サイクル系統Ｒ２と、第３水熱交換器９Ｃを共有する第３冷媒サイクル系統Ｒ３および第４冷媒サイクル系統Ｒ４とを備えている。そして、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂは水循環部３の水配管１８ｂ，１８ｃにより並列に接続され、第３水熱交換器９Ｃは第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂに対して水配管１８ｄにより直列に接続されている。

このように、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂとが水配管１８ｂ，１８ｃによって並列に接続されているため、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂとにおいて第１冷媒サイクル系統Ｒ１と第２冷媒サイクル系統Ｒ２の冷媒を均等に水と熱交換させ、冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

また、このチラーユニット１は、第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂのそれぞれの容量が、第３水熱交換器９Ｃの容量よりも小さくなっている。具体的には、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂのそれぞれの容量を第３水熱交換器９Ｃの容量の半分程度までに小さくすることができる。しかも、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂとを互いに離間させて配置することができる。このため、チラーユニット１（図示しない筐体）の内部における第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂの配置レイアウトの自由度を高めることができる。

また、例えば第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂの相対設置間隔、あるいは他の機材との相対設置間隔を大きくして清掃、検査、調整、交換等のメンテナンス作業性を向上させることができる。

さらに、第１〜第３水熱交換器９Ａ，９Ｂ，９Ｃで熱交換される水は、第１水熱交換器９Ａおよび第２水熱交換器９Ｂ側から流入し、第３水熱交換器９Ｃ側から流出する構成となっている。本構成とすれば、水の圧力が高い水入口部１５側（水循環ポンプ１６側）の方に第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂの２基の水熱交換器が設けられる態様となるため、各水熱交換器９Ａ，９Ｂにおける水の偏流を抑制して冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

ところで、このチラーユニット１は、第１〜第４冷媒サイクル系統Ｒ１〜Ｒ４の全てを稼働させなくてもよい低負荷運転時には、第３冷媒サイクル系統Ｒ３または第４冷媒サイクル系統Ｒ４を優先的に稼働させるようにしてもよい。

例えば、第１冷媒サイクル系統Ｒ１と第２冷媒サイクル系統Ｒ２の一方のみを稼働させた場合には、水の流れに対して並列に設けられた第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂの一方においてのみ熱交換が行われる。このため、他方の水熱交換器においては水が冷媒と熱交換されることなく通過し、一方の水熱交換器において熱交換された水と混合されてしまい、熱交換効率が低下してしまう。

これに対し、第３冷媒サイクル系統Ｒ３または第４冷媒サイクル系統Ｒ４を優先的に稼働させる構成とすれば、水の流れに対して直列に設けられた第３水熱交換器９Ｃにおいてのみ冷媒と水との熱交換が行われ、このように熱交換された水に熱交換されない水が混合されることがない。このため、冷媒と水とを効率良く熱交換させることができる。

なお、図示しないが、水配管１８ｂと水配管１８ｃとに開閉弁や流量調整弁等の弁装置を設けることにより、第１水熱交換器９Ａと第２水熱交換器９Ｂに選択的に水を流せるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るチラーユニットによれば、冷媒と水とを効率良く熱交換させるとともに、チラーユニットの内部における水熱交換器の配置レイアウトの自由度を高め、併せて水熱交換器周りのメンテナンス性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。例えば、図中の配管構成や各機器類の配置位置、接続順序等は、必ずしも本実施形態のものに限定されず、他の態様としてもよい。

１ チラーユニット
３ 水循環部
５ 圧縮機
６ オイルセパレータ
７ 逆止弁
８ 四方弁
９Ａ 第１水熱交換器
９Ｂ 第２水熱交換器
９Ｃ 第３水熱交換器
１１ 電子膨張弁
１２ 空冷熱交換器
１５ 水入口部
１６ 水循環ポンプ
１７ 水出口部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 水配管
Ｒ１ 第１冷媒サイクル系統
Ｒ２ 第２冷媒サイクル系統
Ｒ３ 第３冷媒サイクル系統
Ｒ４ 第４冷媒サイクル系統

Claims (3)

1. 第１水熱交換器を有する第１冷媒サイクル系統と、
   第２水熱交換器を有する第２冷媒サイクル系統と、
   第３水熱交換器を共有する第３冷媒サイクル系統および第４冷媒サイクル系統と、を備え、
   前記第１水熱交換器と前記第２水熱交換器は水配管により並列に接続され、
   前記第３水熱交換器は前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器に対して水配管により直列に接続され、
   前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器のそれぞれの容量は、前記第３水熱交換器の容量よりも小さいことを特徴とするチラーユニット。
2. 前記第１、第２、第３水熱交換器で熱交換される水は、前記第１水熱交換器および前記第２水熱交換器側から流入し、前記第３水熱交換器側から流出する請求項１に記載のチラーユニット。
3. 前記第１〜第４冷媒サイクル系統の全てを稼働させなくてもよい低負荷運転時には、前記第３冷媒サイクル系統または前記第４冷媒サイクル系統を優先的に稼働させる請求項１または２に記載のチラーユニット。

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