(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一列に配置され、冷媒と空気との熱交換をする複数の排熱側熱交換器と、
水の流れる方向に沿って配置され、前記冷媒と水との熱交換をする複数の利用側熱交換器とを備える冷凍装置であって、
前記利用側熱交換器は、２つの排熱側熱交換器と接続可能に構成され、
前記複数の排熱側熱交換器は、列の最外部に配置される排熱側熱交換器から内側の排熱側熱交換器に向かうにつれて、前記水の最上流側の利用側熱交換器から下流側の利用側熱交換器へと順次接続される、冷凍装置。
【請求項２】
前記排熱側熱交換器の列を複数備えることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記複数の排熱側熱交換器に対応する複数の冷凍サイクル部品を備え、
前記複数の冷凍サイクル部品は、対応する排熱側熱交換器の列と同じ順序で配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記複数の排熱側熱交換器および各排熱側熱交換器と対応する前記複数の冷凍サイクル部品は、前記列の順序を識別する符号が表示されることを特徴とする、請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍装置を複数備えることを特徴とする、冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の熱交換を行う冷凍装置および冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒の熱交換を行う冷凍装置に関して、複数の冷凍サイクルを具備して構成される冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１など）。特許文献１では、複数の冷凍サイクルユニットと制御用ボックスとを備える装置における各ユニットの配置が開示されている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１をはじめとする従来技術にあっては、各ユニットの配置によって制御用ボックスのメンテナンス性を向上するものであった。そのため、特許文献１などでは１列で構成される排熱側熱交換器において、排熱側熱交換器と利用側熱交換器とを単純に並ぶ順番ごとで接続しており、冷凍サイクルの熱交換効率については考慮されていなかった。したがって、例えば冷房運転時において、冷凍サイクルの熱交換器に空気が通過しにくい（熱交換されにくい）領域が生じる場合などには、当該冷凍サイクルの高圧圧力の上昇を抑制するために、圧縮機の運転容量を下げて冷却能力を低下させる場合があった。
【０００４】
そこで、各冷凍サイクルにおける熱交換の効率を向上する技術が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１１／０９９６２９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、効率的な熱交換を行う冷凍装置および冷凍システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明によれば、
一列に配置され、冷媒と空気との熱交換をする複数の排熱側熱交換器と、
水の流れる方向に沿って配置され、前記冷媒と水との熱交換をする複数の利用側熱交換器とを備える冷凍装置であって、
前記利用側熱交換器は、２つの排熱側熱交換器と接続可能に構成され、
前記排熱側熱交換器の列のうち最外部に配置される排熱側熱交換器が、前記水の最上流側の利用側熱交換器と接続されることを特徴とする、冷凍装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、効率的な熱交換を行う冷凍装置および冷凍システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における冷凍装置の冷凍サイクル系統図。
【図２】本実施形態における冷凍装置の概略を示す斜視図。
【図３】本実施形態における冷凍サイクルユニットと利用側熱交換器との接続を説明する図。
【図４】本実施形態における冷凍サイクルユニットの配置を示す上面図。
【図５】本実施形態において複数の冷凍サイクルユニット列から構成される冷凍装置を示す斜視図。
【図６】本実施形態において複数の冷凍サイクルユニット列から構成される冷凍装置を示す上面図。
【図７】本実施形態において任意の数の冷凍サイクルユニットを含む列から構成される冷凍装置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。
【００１１】
まず、本実施形態に係る冷凍サイクルについて、図１を以て説明する。図１は、本実施形態における冷凍装置１の冷凍サイクル系統図である。本実施形態の冷凍装置１は、複数の冷凍サイクルユニット１０(１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ)を具備して構成される。冷凍サイクルユニット１０は、空気と冷媒との熱交換を行う。以下に説明する実施形態では、冷凍装置１を構成する冷凍サイクルの数が４つである場合を例に挙げているが、特に実施形態を限定するものではない。なお、図１では、代表的に冷凍サイクルユニット１０ａについて詳細な構成を図示しているが、他の冷凍サイクルユニット１０ｂ，１０ｃ，１０も同様の構成を具備する。
【００１２】
冷凍サイクルユニット１０は、図１に示すように、四方弁３１、アキュムレータ３２、圧縮機３３、膨張装置３４、排熱側熱交換器２１、送風機２２などの各種部品を具備して構成される。なお、排熱側熱交換器２１は、空気側熱交換器として参照される。以下では、便宜的に、冷凍サイクルユニットを構成する各種部品のうち、排熱側熱交換器２１および送風機２２を除く部品を総称して「冷凍サイクル部品３０」として参照する。
【００１３】
さらに、本実施形態の冷凍装置１は、水と冷媒との熱交換を行う利用側熱交換器５０（５０ａ，５０ｂ）を具備し、冷凍サイクルユニット１０と、利用側熱交換器５０とが接続されて構成される。なお、利用側熱交換器５０は、水側熱交換器として参照される。排熱側熱交換器２１および送風機２２は、熱交換器室２０に収容される。また、冷凍サイクル部品３０や利用側熱交換器５０は、熱交換器室２０の下部の機械室に収容される。
【００１４】
冷凍サイクルユニット１０は、圧縮機３３、四方弁３１、排熱側熱交換器２１、膨張装置３４、利用側熱交換器５０、アキュムレータ３２が配管ｒにより接続されている。冷凍サイクルに封入される冷媒は、それぞれ配管ｒを通って、圧縮機３３、四方弁３１、排熱側熱交換器２１、膨張装置３４、利用側熱交換器５０、およびアキュムレータ３２を流れる。図１中の四方弁３１の実線は、冷凍装置１の冷却運転時における冷媒の流れを示している。四方弁３１を、切り替え、破線の接続側に切り替えることで暖房運転となる。
【００１５】
冷凍サイクルユニット１０ａ、１０ｄに接続される利用側熱交換器５０ａと、冷凍サイクルユニット１０ｂ、１０ｃに接続される利用側熱交換器５０ｂとは、直列に配管４０で接続される。冷暖房を担う熱負荷媒体は、配管４０内を通って、利用側熱交換器５０ａから利用側熱交換器５０ｂへ流れる。なお、以下の説明では、熱負荷媒体が流れる方向について、上流側から下流側へ流れるものとし、利用側熱交換器５０ａ側を上流側、利用側熱交換器５０ｂ側を下流側として参照する。本実施形態における各冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄと、各利用側熱交換器５０ａ，５０ｂとの接続についての詳細は後述する。なお、図１では、１つの利用側熱交換器５０に対して、２つの冷凍サイクルユニット１０が接続される構成を例示しているが、実施形態を限定するものではなく、利用側熱交換器５０と接続される冷凍サイクルユニット１０の数は特に限定されない。
【００１６】
熱負荷媒体は、例えば、水が用いられ、利用側熱交換器５０ａ、５０ｂでの熱交換により冷房の場合は低温水が作られ、暖房の場合は高温水が作られる。圧縮機３３はスクロール圧縮機、ロータリー圧縮機などで運転容量が可変である圧縮機や運転容量が固定の圧縮機などで構成されている。利用側熱交換器５０ａ、５０ｂは積層プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、二重管熱交換器等で構成されている。アキュムレータ３２は圧縮機３３内に液体が入り、破損しないように気液分離する。
【００１７】
冷凍装置１が冷却運転する場合、冷凍サイクルユニット１０において圧縮機３３で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３１の図１の実線側の流路を通る。そして、排熱側熱交換器２１により放熱して凝縮され常温高圧の液冷媒となる。そして、常温高圧の液冷媒は、膨張装置３４により減圧されて低温低圧の液冷媒となり、利用側熱交換器５０において、配管４０から送られる熱負荷媒体と熱交換して蒸発され低温低圧のガス冷媒となり圧縮機３３に戻る。利用側熱交換器５０では、低温低圧の液冷媒は、液冷媒の蒸発時の蒸発潜熱により熱負荷媒体から吸熱して熱負荷媒体が冷却される。
【００１８】
また、冷凍装置１が暖房運転する場合、冷凍サイクルユニット１０において圧縮機３３で圧縮された高温高圧のガス冷媒は四方弁３１の図１の破線側の流路を通る。そして、利用側熱交換器５０で熱負荷媒体と熱交換して放熱して凝縮され、常温高圧の液冷媒となる。利用側熱交換器５０では、高温高圧のガス冷媒の凝縮熱により熱負荷媒体が加熱される。常温高圧の液冷媒は、膨張装置３４により減圧されて低温低圧の液冷媒となる。低温低圧の液冷媒は、排熱側熱交換器２１により蒸発され低温低圧のガス冷媒となり、圧縮機３３に戻る。
【００１９】
次に本実施形態の冷凍装置１の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態における冷凍装置１の概略を示す斜視図である。
【００２０】
図２に示す例では、本実施形態の冷凍装置１は、４つの冷凍サイクルユニット１０が一列に並んで構成される冷凍サイクルからなる。以下では便宜的に複数の冷凍サイクルユニットが並ぶ方向をｘ方向として定義し、ｘ方向の手前側および奥側をそれぞれ背面および正面として参照する。また、冷凍装置１の高さ方向をｚ方向、ｘ方向およびｚ方向に直交する方向をｙ方向としてそれぞれ定義し、ｙ方向は便宜的に側面として参照する。
【００２１】
冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄは、各々が排熱側熱交換器２１ａ〜２１ｄと、各熱交換器に対応して配置される送風機２２ａ〜２２ｄを具備する。なお、排熱側熱交換器２１は、２つの熱交換器によって１対の熱交換器を構成することとしてもよい。また、排熱側熱交換器２１の形状は、一例として、上から見た場合に２か所の曲げ部により折り返される形状（いわゆる「コの字」形状）とすることができる。
【００２２】
本実施形態の冷凍装置１は、各送風機２２ａ〜２２ｄが動作することによって、冷凍装置１の側方（ｙ方向）から熱交換器室２０内の空間に空気を吸い込み、冷凍装置１の上方（ｚ方向）に空気を排出する。このようにして空気が流れることで、空気は各排熱側熱交換器２１ａ〜２１ｄを通過し、空気と冷媒との熱交換が行われる。なお、図１中のブロック矢印Ａは、冷凍装置１に吸入される空気の流れを示し、ブロック矢印Ｂは、冷凍装置１から排出される空気の流れを示している。
【００２３】
次に、本実施形態における冷凍サイクルユニット１０の配置について図３および図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、適宜図１および図２を参照する。図３は、本実施形態における冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄと利用側熱交換器５０ａ，５０ｂとの接続を説明する図である。図３上図は、排熱側熱交換器２１ａ〜２１ｄおよび送風機２２ａ〜２２ｄの側面図を示しており、図３下図は、機械室に収容される冷凍サイクル部品３０ａ〜３０ｄ、配管４０、利用側熱交換器５０ａ，５０ｂの上面図を示している。また、図４は、本実施形態における冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄの配置を示す上面図であるなお、図３においては、図面の見やすさの観点から、部品の詳細な構成などが省略されている点に留意されたい。また、図４においても同様に、送風機２２や冷凍サイクル部品３０などが省略されている点に留意されたい。
【００２４】
図３上図に示すように、本実施形態の冷凍装置１を構成する４つの冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄは、背面側から正面側に向かって冷凍サイクルユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの順で一列に配置される（図２参照）。また、図３下図に示すように、冷凍サイクル部品３０ａ〜３０ｄは、各々対応する冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄと接続される。
【００２５】
ところで、本実施形態の冷凍装置１のように、複数の冷凍サイクルユニット１０を一列に並べて配置した場合、一部の排熱側熱交換器２１に空気が通過しにくく、熱交換の効率が低下する場合がある。すなわち、図４において破線で示される領域に含まれる排熱側熱交換器２１（例えば、排熱側熱交換器２１ａと排熱側熱交換器２１ｂとが向かい合う部分など）は、側方からの空気の流れが通過しにくいため、当該領域における熱交換量が低下することとなる。さらに、後述する図５、図６のように冷凍装置１を複数列に並べて配置した場合、一部の排熱側熱交換器２１に空気が通過しにくく、熱交換の効率が低下する場合がある。図５、図６は冷凍装置１を複数並べたものを示す斜視図および上面図である。図５および図６におけるブロック矢印は、冷凍装置１を３台並列に並べて配置した場合の吸入される空気の流れを示している。図５および図６に示すように、側方から空気が吸入されるほか（ブロック矢印Ａ）、正面側、背面側の冷凍サイクルユニット１０の列間からも空気が吸入される（ブロック矢印Ｂ）。一方で、図６の破線で示される領域のように、排熱側熱交換器２１の一部に、空気が通過しにくい領域が生じるため、当該領域における熱交換量が低下することとなる。
【００２６】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、列の外側に配置される冷凍サイクルユニット１０ａ、１０ｄを上流側の利用側熱交換器５０ａと接続し、列の内側に配置される冷凍サイクルユニット１０ｂ、１０ｃを下流側の利用側熱交換器５０ｂと接続する（図１参照）。このような構成とすることで、冷房運転時において、水温の高い上流側の利用側熱交換器５０ａと接続される冷凍サイクルを、熱交換量の大きい外側の冷凍サイクルユニット１０ａ、１０ｄとすることができる。すなわち、水温の高い上流側の利用側熱交換器５０ａと接続される冷凍サイクルにおいて、冷媒の吸入圧力を高くでき、冷媒循環量を多くできる。したがって、相対的に熱交換量の大きい排熱側熱交換器２１ａ、２１ｄを、水温の高い利用側熱交換器５０ａと接続される冷凍サイクルとして構成できるため、高圧圧力を抑制し、冷房運転時における冷却能力を十分に確保できる。
【００２７】
なお、機械室に収容される冷凍サイクル部品３０ａ〜３０ｄについても、作業性などを考慮して、冷凍サイクルユニット１０ａ〜１０ｄと同様の順序で配置することが好ましい。すなわち、図３に示すように、背面側から正面側に向かって冷凍サイクル部品３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの順に一列で並ぶ配置とする。これによって、各冷凍サイクルユニット１０の位置関係を簡素化でき、また、製造時やメンテナンス時における配管の接続作業が容易にできる。さらに、排熱側熱交換器２１ａ〜２１ｄに各々を識別する符号を付与して表示し、対応する冷凍サイクル部品３０ａ〜３０ｄにも同じ符号を表示させる構成としてもよい。これによって、排熱側熱交換器２１と冷凍サイクル部品３０との対応関係を認識しやすくでき、メンテナンスや修理などの作業性を向上できる。
【００２８】
上述した実施形態では、冷凍サイクルユニット１０の列が１列の場合を例示して説明したが、特に実施形態を限定するものではなく、複数の列から構成される場合であっても有効である。図５および図６は、それぞれ本実施形態において複数の冷凍サイクルユニット列から構成される冷凍装置を示す斜視図および上面図である。図５および図６に示すように、複数の冷凍サイクルユニット列から構成される冷凍装置にあっては、冷凍サイクルユニット１０の各列が並列に配置されている。なお、図５および図６では、冷凍サイクルユニットの列が３列である場合の構成を例示しているが、特に実施形態を限定するものではなく、列数に制限はない。
【００２９】
図５および図６におけるブロック矢印は、吸入される空気の流れを示している。図５および図６に示すように、側方から空気が吸入されるほか（ブロック矢印Ａ）、正面側、背面側の冷凍サイクルユニット１０の列間からも空気が吸入される（ブロック矢印Ｂ）。一方で、図６の破線で示される領域のように、排熱側熱交換器２１の一部に、空気が通過しにくい領域が生じる。
【００３０】
そこで、冷凍サイクルユニット１０の各列を、図１および図３において示したように、列の外側の排熱側熱交換器２１を上流側の利用側熱交換器５０と接続する構成とする。これによって、冷凍サイクルユニット１０の列が複数の列から構成される場合であっても、相対的に熱交換量の大きい排熱側熱交換器２１を、水温の高い利用側熱交換器５０と接続される冷凍サイクルとして構成できるため、高圧圧力を抑制し、冷房運転時における冷却能力を十分に確保できる。
【００３１】
なお、図５、図６では、複数の冷凍サイクルユニットの列から構成される冷凍装置を例示しているが、特に実施形態を限定するものではない。したがって、１つの冷凍サイクルユニットから構成される冷凍装置が、図５および図６のように、複数並ぶ構成（以下、「冷凍システム」として参照する）であってもよい。このように、複数の冷凍装置を備える冷凍システムの場合にも、上述したように、空気が通過しにくい領域が生じることとなる。したがって、本実施形態において説明したように、冷凍システムを構成する各冷凍装置は、列の外側の排熱側熱交換器２１を上流側の利用側熱交換器５０と接続する構成が有効である。すなわち、複数の冷凍装置を備える冷凍システムの場合にも、相対的に熱交換量の大きい排熱側熱交換器２１を、水温の高い利用側熱交換器５０と接続される冷凍サイクルとして構成できるため、高圧圧力を抑制し、冷房運転時における冷却能力を十分に確保できる。
【００３２】
ここまでに説明した実施形態では、４つの冷凍サイクルユニット１０から列が構成される場合を例示したが、特に実施形態を限定するものではない。したがって、１列に含まれる冷凍サイクルユニット１０の数は、任意であってよい。例えば、列を構成する冷凍サイクルユニット１０の数が奇数の場合や、４より多い場合などであっても、本実施形態を適用することができる。図７は、本実施形態において任意の数の冷凍サイクルユニットを含む列から構成される冷凍装置を説明する図である。
【００３３】
図７（Ａ）は、３つの冷凍サイクルユニット１０から列が構成される場合の例を示している。かかる場合には、列の外側に配置される排熱側熱交換器２１ａ、２１ｃが、上流の利用側熱交換器５０と接続され、列の内側の排熱側熱交換器２１ｂが、下流の利用側熱交換器５０と接続される構成とする。
【００３４】
また、図７（Ｂ）は、６つの冷凍サイクルユニット１０から列が構成される場合の例を示している。かかる場合には、列の外側に配置される排熱側熱交換器２１ａ、２１ｆが、最上流にある利用側熱交換器５０と接続され、排熱側熱交換器２１が列の内側に向かうにつれて、順次下流側の利用側熱交換器と接続される構成とする。
【００３５】
上記の構成は、以下のように一般化できる。すなわち、１列がＮ台の冷凍サイクルユニット１０から構成される場合において、背面側から正面側に向かって順次、第１番目、第２番目・・・第Ｎ番目の冷凍サイクルユニット１０として一般化すると、以下のようになる。
【００３６】
第１番目の冷凍サイクルユニット１０と、第Ｎ番目の冷凍サイクルユニット１０とが、上流側から１番目の利用側熱交換器５０と接続される。
【００３７】
第２番目の冷凍サイクルユニット１０と、第（Ｎ−１）番目の冷凍サイクルユニット１０とが、上流側から２番目の利用側熱交換器５０と接続される。
【００３８】
第ｎ番目の冷凍サイクルユニット１０と、第（Ｎ−ｎ＋１）番目の冷凍サイクルユニット１０とが、上流側からｎ番目の利用側熱交換器５０と接続される（但し、ｎは、ｎ＜（（Ｎ／２）＋１）を満たす整数である）。
【００３９】
列を構成する冷凍サイクルユニット１０の数が奇数の場合や、４より多い場合などであっても、図７において示した構成とすることで、図３などと同様に、相対的に熱交換量の大きい排熱側熱交換器２１から順に、水温の高い利用側熱交換器５０と接続でき、冷房運転時における冷却効率を改善することができる。
【００４０】
以上、説明した本発明の実施形態によれば、効率的な熱交換を行う冷凍装置および冷凍システムを提供することができる。
【００４１】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１…冷凍装置、
１０…冷凍サイクルユニット、
２０…熱交換器室、
２１…排熱側熱交換器、
２２…送風機、
２３…パネル、
３０…冷凍サイクル部品、
３１…四方弁、
３２…アキュムレータ、
３３…圧縮機、
３４…膨張装置、
３５…電気部品箱、
３６…冷媒調節器、
４０…配管、
５０…利用側熱交換器、
【要約】
【課題】  効率的な熱交換を行う冷凍装置および冷凍システムを提供すること。
【解決手段】  一列に配置され、冷媒と空気との熱交換をする複数の排熱側熱交換器２１と、水の流れる方向に沿って配置され、冷媒と水との熱交換をする複数の利用側熱交換器５０とを備える冷凍装置１であって、利用側熱交換器５０は、２つの排熱側熱交換器２１と接続可能に構成され、排熱側熱交換器２１の列のうち最外部に配置される排熱側熱交換器２１が、水の最上流側の利用側熱交換器５０と接続されることを特徴とする。
【選択図】  図３【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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