JP2022168986A - 熱媒体循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、省エネ性・遮音性を担保しつつ可燃性冷媒の漏洩時の着火リスクを低減する熱媒体循環装置を提供する。【解決手段】本開示における熱媒体循環装置１００は、圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置、および熱源側熱交換器が環状に接続された冷媒回路１１０と、少なくとも冷媒回路１１０の一部および制御装置１２０が収納された機械室１３０と、を備え、作動流体として可燃性冷媒を用い、機械室１３０内に可燃性冷媒が漏洩した際に、機械室１３０内部と屋外とが通気するように開口する開閉機構１４０を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、熱媒体循環装置に関する。

特許文献１は、冷凍サイクル回路から漏出した可燃性冷媒が筐体の外に排出されやすい熱媒体循環装置を開示する。この熱媒体循環装置は、冷媒回路と、機械室と、外気を導入するための導入孔と、機械室から送風回路に連通する吹き出し孔と、を備える。

欧州特許第２８９６８９７号明細書

本開示は、省エネ性・遮音性を担保しつつ可燃性冷媒の漏洩時の安全性を向上する熱媒体循環装置を提供する。

本開示における熱媒体循環装置は、圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置、および熱源側熱交換器が環状に接続された冷媒回路と、少なくとも冷媒回路の一部および制御装置が収納された機械室と、を備え、作動流体として可燃性冷媒を用いた熱媒体循環装置において、機械室内に可燃性冷媒が漏洩した際に、機械室内部と屋外とが通気するように開口する開閉機構を有する。

本開示における熱媒体循環装置は、機械室内への可燃性冷媒の漏洩時の安全性が向上する。また、冷媒漏洩時以外は開閉機構が閉口しているため、機械室内への外気の侵入を防ぐことができ、システム稼働時の冷媒回路からの放熱が抑制され、省エネ性向上が期待できる。加えて、常時開閉機構が開口している場合では機械室内の騒音が外部に漏れてしまうが、漏洩時以外は閉口しているため遮音性が向上し、本発明による騒音増大を最小限に抑えつつ通気性を確保できる。

実施の形態１における熱媒体循環装置の構成図 実施の形態１における熱媒体循環装置の冷媒回路図 実施の形態１における熱媒体循環装置の圧力―エンタルピー線図（Ｐ－ｈ線図） 実施の形態１における制御装置の構成図 実施の形態１における開閉機構の構成図 実施の形態１における機械室中に冷媒が漏洩した時の運転動作を示す図 実施の形態１における熱媒体循環装置の冷媒漏洩検知と開閉機構の制御動作を説明するためのフローチャート

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）

以下、図１～図７用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
［１－１－１．熱媒体循環装置の構成］
図１において、熱媒体循環装置１００は、冷媒回路１１０と、制御装置１２０と、冷媒回路１１０の少なくとも一部および制御装置１２０を収納する機械室１３０と、開閉機構１４０と、を備える。

図２を用いて、冷媒回路について説明する。
冷媒回路１１０は、蒸気圧縮式冷凍サイクルであり、圧縮機１１１と、利用側熱交換器１１２と、膨張装置１１３と、熱源側熱交換器１１４と、が配管１１６で順次接続されて構成され、冷媒として可燃性冷媒であるプロパンを用いている。
また、冷媒回路１１０には、温水を生成する加熱運転と、冷水を生成する冷却運転と、を切り換えるための四方弁１１５が設けられている。
さらに、利用側熱交換器１１２では、屋内に設置された熱媒体回路から搬出された、水又は不凍液を用いた熱媒体が流入し、冷媒と熱交換することで、加熱および冷却される。
図２では、加熱運転時の冷媒の流れ方向を実線矢印で、冷却運転時の冷媒の流れ方向を破線矢印で示している。

図３を用いて、加熱運転および冷却運転における冷媒の状態変化を説明する。
加熱運転時は、圧縮機１１１から吐出される高圧冷媒（ａ点）は、四方弁１１５を介して利用側熱交換器１１２に流入し、利用側熱交換器１１２を流通する熱媒体に放熱する。利用側熱交換器１１２で放熱した後の高圧冷媒（ｂ点）は、膨張装置１１３にて減圧されて膨張した後に、熱源側熱交換器１１４に流入する。熱源側熱交換器１１４に流入する低圧冷媒（ｃ点）は、外気から吸熱して蒸発し、再び四方弁１１５を介して圧縮機１１１の吸入側（ｄ点）に戻る。
一方、冷却運転時は、圧縮機１１１から吐出される高圧冷媒（ａ点）は、四方弁１１５を介して熱源側熱交換器１１４に流入し、熱源側熱交換器１１４で外気に放熱する。熱源側熱交換器１１４で放熱した後の高圧冷媒（ｂ点）は、膨張装置１１３にて減圧されて膨張した後に、利用側熱交換器１１２に流入する。利用側熱交換器１１２に流入する低圧冷媒（ｃ点）は、利用側熱交換器１１２を流通する熱媒体から吸熱して蒸発し、再び四方弁１１５を介して圧縮機１１１の吸入側（ｄ点）に戻る。
制御装置１２０は、熱媒体循環装置１００の筐体内に設けられ、圧縮機１１１の回転数、膨張装置１１３の絞り量、四方弁１１５の切り替え、などを蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率が高くなるように制御する。また、機械室１３０内の可燃性冷媒の漏洩時に開閉機構１４０を動作させるための制御も行う。

［１－１－２．制御装置の構成］
次に、図４を用いて制御装置１２０の構成を説明する。制御装置１２０は、マイコンやメモリなどを搭載したコントローラ１２１と、装置の運転停止や生成する熱媒体の温度設定などを入力するユーザインタフェース１２２と、機械室内の可燃性ガスの濃度を検出する冷媒濃度センサー１２３と、で構成されている。

［１－１－３．開閉機構の構成］
次に、図５を用いて開閉機構１４０の構成を説明する。開閉機構１４０は、開口部１４１と、開口部を塞ぐフラップ１４２と、フラップ１４２を開閉させるための駆動装置１４３と、で構成されており、機械室１３０内の制御装置１２０より低い位置に設置されている。駆動装置１４３は、制御装置１２０に接続されている。
［１－２．動作］

以上のように構成された熱媒体循環装置１００について、以下その動作、作用を説明する。
［１－２－１．冷却および加熱運転動作］

コントローラ１２１は、ユーザインタフェース１２２の入力情報に基づき、加熱運転または冷却運転を行う。
［１－２－２．冷媒漏洩時の冷媒排出と運転動作］

図６に基づいて、機械室１３０中に冷媒が漏洩した時の運転動作を説明する。
図６は、機械室１３０内に漏洩した可燃性冷媒が、開閉機構１４０から屋外大気中に排出される流れを模式的に示したものである。
例えば、冷媒回路１１０における配管１１６に亀裂が生じ、機械室１３０内に可燃性冷媒が漏洩し、冷媒濃度センサー１２３があらかじめ設定された冷媒濃度以上であることを検知した場合、コントローラ１２１の指示により、駆動装置１４３内部のサーボモーターが駆動し、フラップ１４２を開方向に動作することで、機械室１３０内部と屋外とが通気される。ここで、空気よりも密度の大きい可燃性冷媒は空気との密度差により下方に移動し、機械室１３０下方に設置された開閉機構１４０から徐々に排出される。さらに、可燃性冷媒が屋外に排出されるにつれ、機械室１３０内の内圧が低下するが、機械室１３０内圧と屋外大気圧との圧力差が生じ、開口部１４１から新たに外気が取り込まれ、可燃性冷媒の排出が促進される。

このときの動作を、図７に示すフローチャートを用いて、より詳細に説明する。
まず、使用者によるユーザインタフェース１２２の操作により、加熱運転または冷却運転の開始が指示される（ステップＳ１）。そして、その指示により、制御装置１２０は、圧縮機１１１を運転し、回転数を制御するとともに、膨張装置１１３の開度を調整する（ステップＳ２）。次に、制御装置１２０は、冷媒濃度センサー１２３で機械室１３０内の冷媒濃度Ｃｒを検出する（ステップＳ３）。そして、制御装置１２０は、あらかじめ設定された冷媒濃度ＣａとＣｒを比較し、冷媒濃度Ｃｒが冷媒濃度Ｃａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
冷媒濃度Ｃｒが冷媒濃度Ｃａ未満の場合には（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置１２０は機械室１３０内に冷媒が漏洩していないと判断し、運転を継続する。
一方、冷媒濃度Ｃｒが冷媒濃度Ｃａ以上の場合には、（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置１２０は冷媒ガスが機械室１３０内に漏洩していると判断し、圧縮機１１１の運転を停止する（ステップＳ５）。次いで、コントローラ１２１の指示により駆動装置１４３内部のサーボモーターが駆動し、フラップ１４２が開方向に動作して開閉機構１４０を開口させることで、機械室１３０内部と屋外とを通気させる（ステップＳ６）。
［１－３．効果等］

熱媒体循環装置１００は、冷媒回路１１０と、制御装置１２０と、機械室１３０と、開閉機構１４０と、を備える。冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、利用側熱交換器１１２、膨張装置１１３、および熱源側熱交換器１１４が環状に接続された、可燃性冷媒の蒸気圧縮式冷凍サイクルである。機械室１３０内に可燃性冷媒が漏洩した際に、機械室１３０内部と屋外とが通気するように開口する開閉機構１４０を有する。
これにより、機械室１３０内に可燃性冷媒が漏洩した際、空気よりも密度の大きい可燃性冷媒は空気との密度差により下方に移動し、開閉機構１４０から排出されることで、機械室１３０内の冷媒濃度が低下する。さらに、可燃性冷媒が屋外に排出されることにより機械室１３０内の内圧が低下し、屋外大気圧との圧力差で外気が取り込まれ、可燃性冷媒の排出が促進されることで、機械室１３０内の冷媒濃度がさらに低下していく。
そのため、機械室１３０内への可燃性冷媒の漏洩時の安全性が向上する。また、冷媒漏洩時以外は開閉機構１４０が閉口しているため、機械室１３０内への外気の侵入を防ぐことができ、システム稼働時の冷媒回路１１０からの放熱が抑制され、省エネ性向上が期待できる。加えて、常時開閉機構１４０が開口している場合では機械室１３０内の騒音が外部に漏れてしまうが、漏洩時以外は閉口しているため遮音性が向上し、本発明による騒音増大を最小限に抑えつつ通気性を確保できる。

本実施の形態のように、開閉機構１４０は少なくとも機械室１３０を含む筐体内の制御装置１２０より低い位置に設置してもよい。
これにより、空気よりも比重の大きい可燃性冷媒は、漏洩箇所より下方に移動し、制御装置１２０より低い位置に設置された開閉機構１４０により制御装置１２０に滞留することなく排出されることで、制御装置１２０付近の可燃性冷媒の濃度を低下させる。そのため、可燃性冷媒の漏洩時の安全性が向上する。

本実施の形態のように、機械室１３０内に冷媒濃度センサー１２３と、制御装置１２０と、を設け、制御装置１２０は、冷媒濃度センサー１２３の検知値が所定値以上高くなった時に、冷媒回路１１０から冷媒が漏洩したと判断してもよい。
これにより、漏洩検知を簡素な構成で実現可能である。
本実施の形態のように、可燃性冷媒は、Ｒ３２若しくはＲ３２を７０重量パーセント以上含む混合冷媒、またはプロパン若しくはプロパンを含む混合冷媒であってもよい。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
実施の形態１では、熱媒体循環装置１００の一例として冷暖房給湯機を説明した。熱媒体循環装置１００は、熱媒体を冷却または加熱できるものであればよい。したがって、熱媒体循環装置１００は、冷暖房給湯機に限定されない。ただし、熱媒体循環装置１００として冷暖房給湯機を用いれば、住宅の年間熱需要に対応することができる。また、熱媒体循環装置１００として冷温水チラーを用いてもよい。熱媒体循環装置１００として冷温水チラーを用いれば、工場などで使用する加熱や冷却の熱負荷に対応することができるので、工場の省エネ性を向上することができる。

実施の形態１では、漏洩検知センサーの一例として冷媒濃度センサー１２３を説明した。漏洩検知センサーは、冷媒回路１１０中から機械室１３０内に冷媒が漏洩したことが判断できるものであればよい。したがって、漏洩検知センサーは、冷媒濃度センサー１２３に限定されない。ただし、漏洩検知センサーとして冷媒濃度センサー１２３を用いれば、簡素な構成で実現することができる。また、漏洩検知センサーとして、冷媒回路１１０の制御に使用するセンサーを用いることで、そのセンサーの値から可燃性冷媒の漏洩を推定してもよい。冷媒漏洩を冷媒回路１１０の制御に使用するセンサーの値から推定すれば、既存のセンサーのみで漏洩を検知可能であり、センサーを新たに設置する必要がない。

実施の形態１では、開閉機構１４０の一例としてフラップ１４２を説明した。開閉機構１４０は、可燃性冷媒の漏洩を検知していない際に閉口し、漏洩を検知した際に開口できるものであればよい。したがって、開閉機構１４０は、フラップ１４２に限定されない。ただし、開閉機構１４０としてフラップ１４２を用いれば、単純な構成で実現できる。また、開閉機構１４０を複数のスラットで構成されたブラインドとしてもよい。開閉機構１４０をブラインドとすれば、開口面積に対して可動域を小さくすることができ、システムの設置位置に制約を設ける必要がない。

実施の形態１では、駆動装置１４３の一例としてサーボモーターを説明した。駆動装置１４３は、フラップ１４２を開方向に動作できるものであればよい。したがって、駆動装置１４３は、サーボモーターに限定されない。ただし、駆動装置１４３としてサーボモーターを用いれば、位置制御性に優れており、省電力で駆動させることができるため、制御性・省エネ性を両立できる。また、駆動装置１４３として油圧装置を用いてもよい。駆動装置１４３を油圧装置とすれば、駆動部に制御装置１２０を必要としないため、機械室１３０内の着火リスクをさらに低減することができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、熱媒体回路に可燃性冷媒の漏洩が生じ得る熱媒体循環装置に適用可能である。具体的には、温水給湯暖房機、業務用チラーなどに、本開示は適用可能である。

１００ 熱媒体循環装置
１１０ 冷媒回路
１１１ 圧縮機
１１２ 利用側熱交換器
１１３ 膨張装置
１１４ 熱源側熱交換器
１１５ 四方弁
１１６ 配管
１２０ 制御装置
１２１ コントローラ
１２２ ユーザインタフェース
１２３ 冷媒濃度センサー
１３０ 機械室
１４０ 開閉機構
１４１ 開口部
１４２ フラップ
１４３ 駆動装置

Claims (4)

1. 圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置、および熱源側熱交換器が環状に接続された冷媒回路と、少なくとも前記冷媒回路の一部および制御装置が収納された機械室と、を備え、作動流体として可燃性冷媒を用いた熱媒体循環装置において、
   前記機械室内に前記可燃性冷媒が漏洩した際に、前記機械室内部と屋外とが通気するように開口する開閉機構を有する熱媒体循環装置。
2. 前記開閉機構は前記制御装置より低い位置に設置される請求項１に記載の熱媒体循環装置。
3. 前記機械室内に冷媒濃度センサーを備え、
   前記制御装置は、前記冷媒濃度センサーの検知値が所定値以上高くなった時に、前記冷媒回路から冷媒が漏洩したと判断する請求項１又は請求項２に記載の熱媒体循環装置。
4. 前記可燃性冷媒は、Ｒ３２若しくはＲ３２を７０重量パーセント以上含む混合冷媒、またはプロパン若しくはプロパンを含む混合冷媒である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱媒体循環装置。
   
   

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