JP7466061B2

JP7466061B2 - 冷凍サイクルの遮断弁制御装置及び空気調和装置

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Publication number: JP7466061B2
Application number: JP2023528887A
Authority: JP
Inventors: 充澤村
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: WO2022264368A1; JPWO2022264368A1; EP4357704A1; US20240117989A1

Description

本発明の実施形態は、空気調和装置などの冷凍サイクルに使用されている冷媒の屋内への漏洩を検知すると、その屋内に設置された室内機に繋がる配管中に設けた遮断弁を閉じる装置に関する。

例えばＲ３２のようなＡ２Ｌ冷媒を使用する冷凍サイクル装置については、ＩＥＣ６０３３５において安全を図る目的で、冷媒の漏洩を検知する機器と、冷媒の漏洩を止めるための遮断弁又は換気扇とを備え、停電中に冷媒の漏洩が発生してもその漏洩量を最小限とするために、上記の遮断弁を閉じることが要求されている。このような安全装置においては、停電発生時には冷媒の漏洩が検知できないため、例えば特許文献１，２には、冷凍サイクル装置に予備電源を備え、停電発生時には、この予備電源によって遮断弁を閉じることが記載されている。

ＷＯ２０１８／０７８７２９号特開２０２０－１３４００５号公報

しかしながら、上記の特許文献には予備電源を備えることのみしか記載がなく、停電時にどのような手順によって開閉弁を全閉するかについては、具体的な記載がない。冷凍サイクル装置のように各々の構成部が個別に電源に接続される装置の停電には様々な発生態様や発生個所があることから、停電の発生を検知した場合でも、直ちに開閉弁を閉じる制御を行う必要が無いこともあり得る。また、バッテリ等の予備電源は、無尽蔵に電力を供給できるわけではなく、実際に冷媒が漏洩した時に遮断弁を閉じるために、普段は極力電力を消費しない状態にしておく必要がある。
そこで、状況に対応して適切に開閉弁を閉じる制御を行うことができる冷凍サイクルの遮断弁制御装置及び空気調和装置を提供する。

実施形態の冷凍サイクルの遮断弁制御装置は、室内機及び室外機を含む冷凍サイクルに使用されている冷媒の漏洩を検知する漏洩検知部と、
前記室内機と前記室外機との間を接続する配管に配置され、電力を供給することで開閉可能な遮断弁と、
この遮断弁に電力を供給する交流電源の停電を検知する停電検知部と、
前記停電の発生時に代替して電源を供給可能に構成されるバックアップ電源と、
前記漏洩検知部が冷媒の漏洩を検知すると、前記遮断弁を閉に制御する遮断弁制御回路とを備え、
前記遮断弁制御回路は、前記停電検知部が一定時間の間停電の検知を継続している際に、前記遮断弁を閉じるように制御する。
また、実施形態の空気調和装置は、室内に設置される室内機と、
室外機と、
前記室内機が設置される室内に設置され、前記室内機と前記室外機からなる冷凍サイクルに使用されている冷媒の漏洩を検知する漏洩検知部と、
前記室内機と前記室外機との間を接続する配管の途中に設けられ、電力により前記室内機と前記室外機の間の冷媒の流れを開放もしくは遮断する遮断弁を備えた遮断弁装置とを備え、
前記遮断弁装置は、前記遮断弁に電力を供給する交流電源の停電を検知する停電検知部と、
前記停電の発生時に代替して前記遮断弁に電力を供給可能なバックアップ電源と、
前記漏洩検知部が冷媒の漏洩を検知すると前記遮断弁を閉に制御し、前記停電検知部が一定時間の間停電の検知を継続している際に、前記遮断弁を閉じるように制御する遮断弁制御回路とを備える。

図１は、第１実施形態であり、冷凍サイクルシステムの構成を示す図である。図２は、遮断弁制御装置の詳細な構成を示す機能ブロック図である。図３は、遮断弁制御装置，室内機及び冷媒検知警報器間における制御シーケンスであり、定常動作を示す図である。図４は、同冷媒漏洩動作を示す図である。図５は、同停電時動作（１）を示す図である。図６は、同停電時動作（２）を示す図である。図７は、同停電時動作（３）を示す図である。図８は、遮断弁制御装置の制御回路における処理内容を示すフローチャートである。図９は、交流電源に発生した停電が一定時間以上継続する場合に対応したタイミングチャートである。図１０は、交流電源に瞬停が発生した場合に対応したタイミングチャートである。図１１は、第２実施形態であり、遮断弁制御装置の制御回路が図３に示す「弁開動作」を行う場合の制御内容を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、例えば、屋内に設置される室内機１，屋外に設置する室外機２，これらを接続する冷媒配管１０、１１からなる空気調和装置である。この空気調和装置は、さらに、冷媒配管１０、１１の途中に介在する遮断弁装置３及び冷媒検知警報器４を備えている。室内機１は、室内制御回路５，ファン６，熱交換器７及び開閉弁８を有しており、室内制御回路５は、室内熱交換器に通風するファン６及び冷媒の流通を切り替える開閉弁８を制御する。また、室内制御回路５は、通信ライン９を介して屋外の室外機２の図示しない室外制御回路と通信を行う。なお、遮断弁装置３は室内機１内に組み込むことも可能であるが、組み込んだ場合、室内機１が大型化してしまう。このため、遮断弁装置３は、室内機１近傍の天井裏や床下に設置することが望ましい。

室内機１の熱交換器７は、液側の配管１０及びガス側の配管１１を介して室外機２に接続されており、この配管中を冷媒が流通することで冷凍サイクルが形成される。室内機１の開閉弁８は、液側となる配管１０側に配置されている。また、室内機１と室外機２との間の配管１０及び１１には、遮断弁装置３が介在している。室内機１からは配管１０により、例えばＲ３２のような冷媒液が室外機２に送出され、室外機２からは配管１１により、冷媒液が高圧ガス化したものが室内機１に戻る。なお、複数の室内機１が１台の室外機２の冷媒配管に並列に接続されるいわゆるマルチタイプで、且つ、各室内機１の暖房と冷房との組み合わせを自由に選択できる冷暖同時マルチエアコンに適用する場合は、室内機１と室外機３が３本の配管によって接続されるため、遮断弁１２，１３に加えて３本目の配管途中にも遮断弁を設ける必要がある。

遮断弁装置３は、配管１０及び１１にそれぞれ介在する遮断弁１２及び１３，開閉表示ランプ１４，これらを制御する遮断弁制御回路１５及びバックアップ電源１６を備えている。遮断弁制御回路１５は、通信バス１７を介して室内機１の室内制御回路５に接続されており、両者間で通信が行われる。バックアップ電源１６は、例えばリチウム電池のような二次電池やスーパーキャパシタ等で構成されている。バックアップ電源１６は、常には遮断弁装置３が接続されている交流電源１８より充電が行われており、交流電源１８に停電が発生した際に遮断弁装置３を動作させるために使用される。開閉表示ランプ１４は、遮断弁１２及び１３の開閉状態に応じて点消灯状態が制御される。遮断弁１２及び１３は、モータ駆動により弁の開閉を制御する電子制御弁、いわゆるパルスモータバルブ（ＰＭＶ）である。なお、開閉弁８も同様の電子制御弁を使用することができる。

漏洩検知部に相当する冷媒検知警報器４は、空気中の所定濃度の冷媒を検知するガスセンサ１９，警報ランプ２０，警報ブザー２１，検知状態解除スイッチ２２及び室内機１と通信を行うための図示しない制御回路を備えている。ガスセンサ１９は、配管１０又は１１よりガス化した冷媒が漏出した際にそのガスを検知すると漏洩検知信号を出力する。これにより、警報ランプ２０を点灯させると共に、警報ブザー２１を鳴動させる。また、冷媒検知警報器４も通信バス１７に接続されており、上記制御回路は、漏洩検知信号を室内機１の室内制御回路５に出力する。尚、通信バス１７は電源ラインも備えており、冷媒検知警報器４は、室内機１より通信バス１７を介して動作用の電源供給を受けている。冷媒検知警報器４は、一般に室内機１が設置された被空調室内に設置される。なお、室内機１の内部に冷媒検知警報器４を組み込んでも良い。

図２は、遮断弁装置３の詳細な構成を示す機能ブロック図である。制御部に相当する遮断弁制御回路１５は、例えばＭＣＵ（Micro Control Unit）で構成されている。電源回路２３はＡＣ－ＤＣコンバータであり、入力される交流電源１８より例えば１２Ｖの直流電源を生成して、ＤＣ－ＤＣコンバータ２４，弁駆動回路２５及び充電回路２６等に供給する。ＤＣ－ＤＣコンバータ２４は、１２Ｖの直流電源を降圧して生成した５Ｖの直流電源を遮断弁制御回路１５に供給する。

弁駆動回路２５は、遮断弁制御回路１５からの制御信号に応じて、遮断弁１２及び１３を開閉駆動するための駆動信号を出力する。充電回路２６は、１２Ｖの直流電源を適正な電圧に降圧してバックアップ電源１６を充電する。停電検知部に相当する停電検知回路２７は、例えばフォトカプラを有しており、その入力側は交流電源１８に接続され、出力側は遮断弁制御回路１５に接続されている。交流電源１８が電源の供給を継続していれば、それに伴い遮断弁制御回路１５には、停電検知回路２７からの出力信号が継続的に入力される。交流電源１８に停電が発生すると、遮断弁制御回路１５には上記出力信号の入力が停止されるので、それが停電検知信号となり、遮断弁制御回路１５には割込み信号として入力される。ここで、室内機１の電源１８と遮断弁装置３の電源１８は同じ商用交流電源でも良いし、別電源でも良い。それぞれに別電源を敷設した場合には、室内機１の停電と遮断弁装置３も停電が個別に発生する事態も想定される。

バックアップ電源１６から直流１２Ｖラインへの電源供給は放電回路２８を介して行われ、放電回路２８は、遮断弁制御回路１５により制御される。すなわち、電源１８から遮断弁装置３に対して電力供給があれば放電回路２８からバックアップ電源１６に充電が行われ、電源１８が停電等で遮断弁装置３への電力供給が停止するとバックアップ電源１６から遮断弁制御回路１５に対する給電が開始される。尚、開閉表示ランプ１４の図示は省略している。また、通信バス１７には、リモコン３０が接続されている。

次に、本実施形態の作用について図３から図１０を参照して説明する。図３から図７は、遮断弁装置３，室内機１及び冷媒検知警報器４間における制御シーケンスを示す。

＜定常動作＞
図３に示す定常動作では、各機器に交流電源１８が投入されて起動すると、通信バス１７を介して室内機１及び遮断弁装置３間と、室内機１及び冷媒検知警報器４間との間で「初期通信」が行われる。その後、遮断弁装置３は、「弁初期動作」として遮断弁１２及び１３を閉じるが、室内機１より「弁開指令」を受信すると、遮断弁１２及び１３を開く。冷媒検知警報器４は、室内機１に冷媒漏洩検知の有無を通知する「状態送信定期通信」を行う。

＜冷媒漏洩動作＞
図４に示す冷媒漏洩動作では、冷媒検知警報器４が冷媒の漏洩を検知すると、検知したことを室内機１に通知するため通信バス１７を介して「冷媒漏洩送信」を行う。室内機１は、その通知を受信すると、遮断弁装置３に「弁閉指令」を送信する。遮断弁装置３は「弁閉指令」を受信すると、遮断弁１２及び１３を閉じる。これらの動作によって、室内機１は冷凍サイクルから切り離され、室内機１内に存在する以上の量の冷媒は被空調室内に漏洩しなくなる。冷媒は主として室外機２に大量に保有されるため、室内に漏洩する冷媒が室内機１の内部に保有する冷媒のみであれば、室内への大量の冷媒漏洩は防止できる。

＜停電時動作（１）（全機器停電時）＞
図５に示す停電時動作（１）では、冷媒検知警報器４は直ちに「システム停止」となる。室内機１は「停電検知」してから「システム停止」となる。遮断弁装置３では、停電検知回路２７により「停電検知」が行われ、遮断弁制御回路１５は放電回路２８を介してバックアップ電源１６からの給電をＯＮにする。その後、「一定時間経過待ち」をしてから遮断弁１２及び１３を閉じる。

＜停電時動作（２）（装置３のみ停電時）＞
図６に示す停電時動作（２）では、遮断弁装置３の動作は図５と同じであるが、遮断弁制御回路１５は、バックアップ電源１６からの給電により動作している期間は、室内機１との通信を停止する。室内機１及び冷媒検知警報器４は「通常動作」を継続するが、室内機１は、遮断弁装置３との通信が途絶したことを検知すると「通信異常発生」と判断する。そして、「異常発報」を行うと「システム停止」に移行する。それに伴い、ステータスが「システム停止」となっていることを冷媒検知警報器４に送信し、冷媒検知警報器４も「システム停止」となる。

＜停電時動作（３）（室内機１のみ停電時）＞
図７に示す停電時動作（３）では、室内機１及び冷媒検知警報器４の動作は図５と同じである。遮断弁装置３は「通常動作」を継続するが、室内機１との通信が途絶したことを検知すると「通信異常発生」と判断する。すると、遮断弁１２及び１３を閉じて「システム停止」に移行する。

図８は、遮断弁制御回路１５における処理内容を示すフローチャートである。遮断弁制御回路１５は、電源遮断，つまり停電を検知したか否かを判断する（Ｓ１）。停電を検知しなければ（ＮＯ）、室内機１との通信が途絶したか否か（Ｓ７）、冷媒検知警報器４よりガス検知信号を受信したか否か（Ｓ８）を順次判断する。ステップＳ７及びＳ８で何れも「ＮＯ」と判断すると、室内機１の室内制御回路５からの指示に従い遮断弁１２及び１３を開閉して、フラグＦを初期値である「０」にセットする（Ｓ１０）。

ステップＳ１で電源遮断を検知すると（ＹＥＳ）、「Ｆ＝０」か否かを判断する（Ｓ２）。「Ｆ＝０」であれば（ＹＥＳ）「Ｆ＝１」にセットしてから、停電状態が継続していることを確認するために用いるタイマＴによるカウントをスタートさせて（Ｓ３）、タイマＴのカウントを行う（Ｓ４）。

続いて、タイマＴのカウント値Ｔが閾値Ｔｓ以上か否かを判断する（Ｓ５）。閾値Ｔｓは前記の「一定時間」に相当し、例えば数分程度に設定する。カウント値Ｔが閾値Ｔｓ未満であれば（ＮＯ）、ステップＳ１に戻る。一方、カウント値Ｔが閾値Ｔｓ以上であれば（ＹＥＳ）、室内機１に対して停電を報知して（Ｓ５ａ）から、遮断弁１２及び１３を閉じる（Ｓ６）。また、ステップＳ７で（ＹＥＳ）と判断した場合もステップＳ６に移行する。ステップＳ８で（ＹＥＳ）と判断した場合は、やはり遮断弁１２及び１３を閉じて待機状態に移行する（Ｓ９）。

図９は、交流電源１８に発生した停電が一定時間以上継続する場合に対応したタイミングチャートであり、図１０は、発生した停電が一定時間内に解消されて復帰する、所謂瞬停が発生した場合に対応したタイミングチャートである。図９に示すように、（１）交流電源１８に停電が発生したことを検知すると、（２）遮断弁制御回路１５は放電回路２８を介してバックアップ電源１６からの給電を開始させる。これにより１２Ｖ電源の電圧は迅速に復帰する。

ここで、従来は停電を検知しているので、遮断弁制御回路１５が即座に、すなわち破線で示すタイミングで遮断弁１２及び１３を閉じることになるが、本実施形態では、図８におけるステップＳ１～Ｓ８のループを回っている間に一定時間が経過して（Ｔ≧Ｔｓ）になった際に、その時点で（３）遮断弁制御回路１５は遮断弁１２及び１３を閉じる。この動作によって、万が一、停電時に冷媒が漏洩しても、被空調室に対して室内機１の保有する冷媒量以上の漏洩は防止できる。

一方、図１０に示す極めて短時間の瞬時停電、いわゆる瞬停、の発生時には、この一定時間が経過する以前に（３）交流電源１８からの電源供給が復帰しているので、遮断弁制御回路１５は遮断弁１２及び１３を閉じる動作を実行しない。例えば、遮断弁制御回路１５のみが動作している場合の消費電流値は１０ｍＡ程度であるのに対し、遮断弁１２及び１３を開閉させる際の消費電流値は５００ｍＡ程度である。したがって、一定時間の間に遮断弁制御回路１５のみを動作させたとしても、遮断弁１２及び１３を閉じる動作を実行させなければ電力消費は小さくなるので、バックアップ電源１６の消耗を抑制できる。

以上のように本実施形態によれば、冷媒検知警報器４のガスセンサ１９は、室内機１及び室外機２７を含む冷凍サイクルに使用されている冷媒の漏洩を検知する。遮断弁１２及び１３は、室内機１と室外機２との間を接続する配管１０及び１１に配置され、停電検知回路２７は交流電源１８に発生した停電を検知する。

バックアップ電源１６は、前記停電の発生時に交流電源１８に代替して電源を供給可能に構成され、遮断弁制御回路１５は、停電検知回路２７が停電を検知するとバックアップ電源１６からの電源供給を開始させ、一定時間の経過後においても停電検知回路２７が継続して停電を検知していることを確認すると、遮断弁１２及び１３を閉じるように制御する。したがって、図１０に示す瞬停の発生時には、遮断弁制御回路１５は遮断弁１２及び１３を閉じる動作を行わないので、バックアップ電源１６の消耗を抑制できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。この実施形態においても遮断弁１２及び１３は、第１実施形態と同様にモータで駆動することによって弁を全閉から全開の間で開度が制御可能な電子制御弁が用いられる。図１１に示す第２実施形態は、遮断弁制御回路１５が図３に示す「弁開動作」を行う場合の制御内容を示す。遮断弁制御回路１５は、室内機１より遮断弁「開」の指示があると（Ｓ１１；ＹＥＳ）、その時点で遮断弁１２及び１３が全開になっているか否かを判断する（Ｓ１２）。全開になっていなければ（ＮＯ）、バックアップ電源１６の電池残量Ｈを検出する（Ｓ１３）。尚、電池残量Ｈは、遮断弁制御回路１５が計算して求めても良い。

続いて、遮断弁制御回路１５は、電池残量Ｈに基づいて遮断弁１２及び１３を全閉状態にするまでに駆動可能な弁開度Ｘ（％）を算出する（Ｓ１４）。そして、遮断弁１２及び１３の開度が上記のＸ（％）となるまで遮断弁１２及び１３を開く（Ｓ１５）。

すなわち、電源１８からの電力供給はあるが、バックアップ電源１６の電池残量Ｈが少ない状態の場合に、遮断弁１２及び１３が全開になっていると、その直後に停電や冷媒漏洩が発生してバックアップ電源１６からの給電に切り替えた際に、バックアップ電源１６の電力不足で遮断弁１２及び１３を全閉状態にできなくなるおそれがある。そこで、第２実施形態のように制御すれば、電池残量Ｈに応じて遮断弁１２及び１３の開度を決定するので、バックアップ電源１６からの給電に切り替えた場合でも、遮断弁１２及び１３を確実に全閉状態にできる。

遮断弁は、モータで駆動する電子制御弁に限られず、電力を用いて開閉可能な弁であれば良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

室内機及び室外機を含む冷凍サイクルに使用されている冷媒の漏洩を検知する漏洩検知部と、
前記室内機と前記室外機との間を接続する配管に配置され、電力を供給することで開閉可能な遮断弁と、
この遮断弁に電力を供給する交流電源の停電を検知する停電検知部と、
前記停電の発生時に代替して電源を供給可能に構成されるバックアップ電源と、
前記漏洩検知部が冷媒の漏洩を検知すると、前記遮断弁を閉に制御する遮断弁制御回路とを備え、
前記遮断弁制御回路は、前記停電検知部が一定時間の間停電の検知を継続している際に、前記遮断弁を閉じるように制御する冷凍サイクルの遮断弁制御装置。
前記遮断弁は、モータで駆動され、弁を全閉から全開の間で開度が制御可能な電子制御弁であり、
前記遮断弁制御回路は、電源投入時に前記バックアップ電源の充電量を取得すると、前記充電量に応じて前記電子制御弁の開度を変化させる請求項１記載の冷凍サイクルの遮断弁制御装置。
室内に設置される室内機と、
室外機と、
前記室内機が設置される室内に設置され、前記室内機と前記室外機からなる冷凍サイクルに使用されている冷媒の漏洩を検知する漏洩検知部と、
前記室内機と前記室外機との間を接続する配管の途中に設けられ、電力により前記室内機と前記室外機の間の冷媒の流れを開放もしくは遮断する遮断弁を備えた遮断弁装置とを備え、
前記遮断弁装置は、前記遮断弁に電力を供給する交流電源の停電を検知する停電検知部と、
前記停電の発生時に代替して前記遮断弁に電力を供給可能なバックアップ電源と、
前記漏洩検知部が冷媒の漏洩を検知すると前記遮断弁を閉に制御し、前記停電検知部が一定時間の間停電の検知を継続している際に、前記遮断弁を閉じるように制御する遮断弁制御回路とを備えた空気調和装置。