JP5832636B2 - 分流コントローラー及びそれを備えた空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえばビル用マルチエアコン等に適用される分流コントローラー及びそれを備えた空気調和装置に関するものである。
従来から、ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置においては、たとえば建物外に配置した熱源機である室外機と、建物の室内に配置した室内機と、室外機と室内機とを接続する分流コントローラーとの間に冷媒を循環させている。そして、このような空気調和装置では、分流コントローラーに設けられる切替弁の開閉を切り替えることで、暖房運転或いは冷房運転を実施する室内機に冷媒を供給している。
このような空気調和装置の分流コントローラーにおいては、切替弁に加え絞り装置等、多くの電気品が搭載されている。加えて、これらの電気品を稼動させるための基板が電気品箱に収納された状態で分流コントローラーに設置されている。電気品箱には、その上面や下面にスリットや穴を設けたり、大きなヒートシンクを設けたりしている。これは、電気品内部に風が流れる構造にし、電気品箱の内部の電子部品による温度上昇を抑制するためである。
ところで、近年、地球温暖化の観点から、地球温暖化係数が高いHFC系冷媒(たとえば、R410Aや、R404A、R407C、R134a等)の使用を制限する動きがある。それに伴い、地球温暖化係数が小さい冷媒(たとえば、R32、HFO1234yf、HFO1234ze(E)、これらの冷媒を混合したもの)を用いた空気調和装置が提案されている。しかしながら、地球温暖化係数が小さいこれらの冷媒は、すべて可燃性を有しており、漏洩した時に、電気品箱内に侵入してしまう可能性がある。
このような事態に備えたものとして、電気品に無接点スイッチを用いたり、電気品箱にガスのみを透過させる膜を設けたりする技術が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。
特開平6−101913号公報([0030]〜[0033]、[0045]等)
しかしながら、特許文献1に記載されている技術のように、無接点スイッチを設けたり、ガスのみを透過させる膜を用いたりすると、コストが大幅にアップしてしまう。また、膜は経年劣化が激しいため、長期的な信頼性を確保することが難しい。そのため、定期的に膜を交換する必要が発生し、手間や維持費が非常にかかってしまうシステムとなっている。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コストアップを抑えつつ、安全性を大幅に向上させた分流コントローラー及びその分流コントローラーを備えた空気調和装置を提供することを目的としている。
本発明に係る空気調和装置の分流コントローラーは、可燃性冷媒を用いた空気調和装置の一部を構成する分流コントローラーであって、筐体と、筐体内に設けられ、冷媒を流すか否かを切り替える切替弁と、少なくとも切替弁を制御する制御装置と、筐体に設置され、制御装置及び空気調和装置を構成する駆動部品の制御に利用される電気部品が少なくとも収容される電気品箱と、を有し、筐体は、気品箱連通し、筐体の底面から筐体の高さの1/3よりも低い位置に形成される開口部を有し、電気品箱は、筐体の開口部の形成面に設置され、制御装置及び電気部品は、それらの各底面が、電気品箱の底面から電気品箱の高さの1/3よりも高い位置に配置されているものである。
本発明に係る空気調和装置の分流コントローラーによれば、電気品箱、及び、電気品箱に収容される制御装置及びリレーの設置位置を特定しているので、たとえ可燃性を有する冷媒が漏れたとしても、漏洩した冷媒の電気品箱への侵入を大幅に抑制することができるだけでなく、漏洩した冷媒が仮に電気品箱に侵入したとしても制御装置及びリレーが冷媒に曝されることがない。よって、本発明に係る空気調和装置の分流コントローラーによれば、コストアップを抑えつつ、安全性が大幅に向上することになる。
本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の電気的な接続状態を模式的に説明する回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る分流コントローラーの外観イメージを示す概略斜視図である。 図5に示す分流コントローラーの側面のうち、電気品箱が設置された側の側面図である。 図5(a)に示す分流コントローラーのB−C断面図である。 本発明の実施の形態に係る分流コントローラーに搭載される電気品箱内の電気部品の配置を模式的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る分流コントローラーに搭載される制御装置を構成する素子の少なくとも一部を構成するワイドバンドギャップ半導体の設置例を模式的に示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置100の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図1に基づいて、空気調和装置100の詳しい回路構成について説明する。図1では、室内機20が4台接続されている場合を例に示している。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図1を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
図1に示すように、空気調和装置100は、室外機(熱源機)10と、室内機20(室内機20a〜室内機20d)と、室外機10と室内機20とを接続する分流コントローラー300とが配管で接続されて連絡するように構成されている。つまり、空気調和装置100では、複数台の室内機20が、室外機10及び分流コントローラー300に対して並列となるように接続されている。
また、空気調和装置100には、冷媒として、R32、HFO1234yf、HFO1234ze(E)、R32とHFO1234yfを混合したもの、R32とHFO1234ze(E)を混合したもの等が封入されているものとする。HFO1234yfについては、二つの幾何学的異性体が存在しており、二重結合に対してFとCFが対照の位置にあるトランス型と、同じ側にあるシス型があり、本実施の形態のHFO1234ze(E)はトランス型である。IUPAC命名法では、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロ−1−プロペンである。
[室外機10]
室外機10は、室内機20に暖房又は冷房を提供する機能を有している。この室外機10には、圧縮機1と、四方弁等の流路切替装置3と、熱源側熱交換器2と、アキュムレーター4と、逆止弁5a〜5dと、冷媒配管4a、4bとが配管で接続されて搭載されている。
圧縮機1は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にして冷媒回路に搬送するものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。
流路切替装置3は、圧縮機1の冷媒吐出側に接続され、暖房運転モード時における冷媒の流れと冷房運転モードおける冷媒の流れとを切り替えるものである。
熱源側熱交換器(室外側熱交換器)2は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には放熱器(又は凝縮器)として機能し、ファン等の室外送風機(図示省略)から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行なうものである。
アキュムレーター4は、圧縮機1の吸入側に設けられており、暖房運転モード時と冷房運転モード時との違いによる余剰冷媒、あるいは、過渡的な運転の変化(たとえば、室内機20の運転台数の変化)に対する余剰冷媒を蓄えるものである。
逆止弁5a〜5d及び冷媒配管4a、4bは、室内機20の要求する運転に関わらず、分流コントローラー300に流入させる冷媒の流れを一定方向にするものである。なお、図1に示す空気調和装置100は、逆止弁5a〜5d及び冷媒配管4a、4bが設けられたものであるが、それに限定されるものではない。すなわち、必ずしも逆止弁5a〜5d及び冷媒配管4a、4bが、空気調和装置100に設けられる必要はない。
[室内機20]
室内機20は、室外機10から供給される冷媒によって室内などの空調対象空間を暖房又は冷房する機能を有している。室内機20は、少なくとも、利用側熱交換器(室内側熱交換器)22と、絞り装置21とを有しており、これらが直列に接続されて搭載されている。
具体的には、絞り装置15が接続されている側から、後述の切替弁12、13が接続されている側に向かう方向に、絞り装置21、利用側熱交換器22が順に直列に接続されている。また、室内機20は、室内機20内に取り込んだ空気を利用側熱交換器22に供給する室内送風機(図示省略)を有している。
利用側熱交換器22は、暖房運転時には放熱器(又は凝縮器)として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能し、図示省略のファン等の室内送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、空調対象空間に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。
絞り装置21は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。
実施の形態では、4台の室内機20が接続されている場合を例に示しており、紙面左側(下側)から室内機20a、室内機20b、室内機20c、室内機20dとして図示している。また、室内機20a〜室内機20dに応じて、利用側熱交換器22も、紙面左側(下側)から利用側熱交換器22a、利用側熱交換器22b、利用側熱交換器22c、利用側熱交換器22dとして図示している。同様に、絞り装置21も、紙面左側(下側)から絞り装置21a、絞り装置21b、絞り装置21c、絞り装置21dとして図示している。なお、室内機20の接続台数を4台に限定するものではない。
[分流コントローラー300]
分流コントローラー300は、室外機10と室内機20との間に設けられている。分流コントローラー300は、暖房運転モード及び冷房運転モードであるかに応じて開閉する切替弁12(12a〜12d)及び切替弁13(13a〜13d)と、冷房時に過冷却度を大きくし性能アップを図るための過冷却熱交換器16及び過冷却熱交換器17と、絞り装置14及び絞り装置15と、切替弁12及び切替弁13の開閉(ON/OFF)などを切り替えるためのリレー33と、リレー33への通電及び圧縮機1の駆動周波数などを制御する制御装置50と、室内機20と分流コントローラー300とを接続する配管接続口303(303a〜303h)と、室外機10と分流コントローラー300とを接続する配管接続口302(302a、302b)とを有している。
切替弁12は、冷媒流路の開閉をするものであり、たとえば電磁弁などで構成される。切替弁12は、制御装置50によって、リレー33への電流の供給が切り替えられることで、開閉が切り替えられるものである。なお、切替弁12は、たとえば室内機20a〜20dの全てが冷房運転を実施する場合の冷房運転モード時には、切替弁12a〜12dが開となるように制御される(図2参照)。なお、いずれかの室内機20a〜20dが冷房運転を実施しない場合には、対応する切替弁12は閉となるように制御される。一方、切替弁12は、暖房運転モード時においては閉となるように制御される。
切替弁13も、切替弁12と同様に、冷媒流路の開閉をするものであり、たとえば電磁弁などで構成される。切替弁13は、制御装置50によって、リレー33への電流の供給が切り替えられることで、開閉が切り替えられるものである。なお、切替弁13は、たとえば室内機20a〜20dの全てが暖房運転を実施する場合の暖房運転モード時には、切替弁13a〜13dが開となるように制御される(図3参照)。なお、いずれかの室内機20a〜20dが暖房運転を実施しない場合には、対応する切替弁13a〜13dは閉となるように制御される。一方、切替弁13a〜13dは、冷房運転モード時においては閉となるように制御される。
過冷却熱交換器16は、冷房時に過冷却度を大きくし性能アップを図るための熱交換器である。過冷却熱交換器16は、その一方の流路が気液分離器11と絞り装置14の一方側との間に接続され、当該一方の流路を流れる冷媒と熱交換する冷媒が流れる他方の流路が絞り装置15から流出する冷媒が流れる流路に接続されている。これにより、過冷却熱交換器16は、気液分離器11から流出する気液二相冷媒を、絞り装置15から流出した気液二相冷媒によって冷却し、液温を低下させることができる。
過冷却熱交換器17も、過冷却熱交換器16と同様に、冷房時に過冷却度を大きくし性能アップを図るための熱交換器である。過冷却熱交換器17は、その一方の流路が絞り装置14の他方側に接続され、当該一方の流路を流れる冷媒と熱交換する冷媒が流れる他方の流路が絞り装置15から流出する冷媒が流れる流路に接続されている。これにより、過冷却熱交換器17は、過冷却熱交換器16から流出する気液二相冷媒の液温を、絞り装置15から流出した気液二相冷媒によって、さらに低下させることができる。
絞り装置14は、過冷却熱交換器16から流出する冷媒を減圧させるものであり、過冷却熱交換器16、17に流入する冷媒の流量を調整するものである。絞り装置14は、一方が過冷却熱交換器16に接続され、他方が過冷却熱交換器17に接続されている。絞り装置14は、冷房運転モード時において冷媒を減圧させないように全開となるように、制御装置50によって開度が制御される。また、絞り装置14は、暖房運転モード時においては閉となるように制御される。絞り装置14は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。
絞り装置15は、過冷却熱交換器17から流出する冷媒を減圧させるものであり、過冷却熱交換器16、17に流入する冷媒の流量を調整するものである。絞り装置15は、一方が過冷却熱交換器17のうち冷房運転モード時において冷媒が流出する側に接続され、他方が過冷却熱交換器17のうち冷房運転モード時において冷媒が流入する側に接続されている。絞り装置15は、冷房運転モード時において所定の開度となるように制御装置50によって開度が制御される。また、絞り装置15は、暖房運転モード時においては開となるように制御される。絞り装置15は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。
リレー33(リレー33a〜33d)は、切替弁12、13の開閉(ON/OFF)や、図示されていない電磁弁などの開閉を制御する際に用いられるリレーである。リレー33は、後述の電気品箱30内に収容されている。
制御装置50は、分流コントローラー300に搭載され、室外機10及び室内機20に設けられる各種機器と、分流コントローラー300に設けられる各種機器の制御を実施するものである。制御装置50は、図示省略の各種検知素子での検出情報及びリモコンからの指示などに基づいて、空気調和装置100のシステム全体を統括制御するものである。 具体的には、制御装置50は、圧縮機1の駆動周波数、流路切替装置3の切り替え、絞り装置14、15、21の開度、図1では図示省略の室外送風機及び室内送風機の回転数、切替弁12、13の開閉、リレー33への通電などを制御する。つまり、制御装置50は、各アクチュエーター(圧縮機1、流路切替装置3、絞り装置14、15、21、室外送風機及び室内送風機、切替弁12、13、リレー33等の駆動部品)を制御する。
配管接続口303a〜303dは、分流コントローラー300の切替弁12a〜12d、13a〜13dが接続される冷媒配管と、室内機20の利用側熱交換器22が接続される冷媒配管とを接続するものである。
配管接続口303e〜303hは、分流コントローラー300の絞り装置15及び過冷却熱交換器17に接続される冷媒配管と、室内機20の絞り装置21に接続される冷媒配管とを接続するものである。
配管接続口302a、302bは、分流コントローラー300の切替弁13a〜13d及び過冷却熱交換器16が接続される冷媒配管と、室外機10の逆止弁5a及び逆止弁5bが接続される冷媒配管とを接続するものである。
空気調和装置100が実行する各運転モードについて説明する。
[冷房運転モード]
図2は、空気調和装置100の冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図2では、室内機20の全部が駆動している場合を例に説明する。冷房運転モードでは、流路切替装置3は、熱源側熱交換器2が放熱器として、利用側熱交換器22が蒸発器として作用するように切り替えられる。具体的には、流路切替装置3は、圧縮機1の吐出冷媒を熱源側熱交換器2に流入させるように切り替えられる。なお、図2では、冷媒の流れ方向を矢印で示している。
低温・低圧の冷媒が圧縮機1によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、流路切替装置3を通り、熱源側熱交換器2に流入する。熱源側熱交換器2に流入した高温・高圧のガス冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気と熱交換することで、液状態もしくは乾き度の小さい2相冷媒となって熱源側熱交換器2から流出する。流出した冷媒は、分流コントローラー300に流れ込む。
分流コントローラー300に流入した冷媒は、気液分離器11に流入する。ここで、冷房運転モード時は、分流コントローラー300に流入する冷媒の乾き度が小さい。このため、分流コントローラー300に流入する冷媒は、一方が過冷却熱交換器16、絞り装置14、及び過冷却熱交換器17を介して絞り装置15に流れ、他方が過冷却熱交換器16、絞り装置14、及び過冷却熱交換器17を介して室内機20a〜20dに流れる。
絞り装置15に流入する方の冷媒は、絞り装置15で低圧の気液二相冷媒に減圧された後に、過冷却熱交換器17及び過冷却熱交換器16に流れ込む。これにより、過冷却熱交換器17及び過冷却熱交換器16に流入する高圧の冷媒と熱交換し、低圧のガス冷媒となった後に、切替弁13a〜13dを通過した冷媒と合流する。
室内機20a〜20dに流入する方の冷媒は、過冷却熱交換器16及び過冷却熱交換器17に流れ込み、絞り装置15から流出した気液二相冷媒によって冷却され、液温が低下する。すなわち、室内機20a〜20dに流入する方の冷媒は、過冷却熱交換器16及び過冷却熱交換器17に流れ込んで過冷却度を増大する。なお、絞り装置14は、冷房運転モード時において、冷媒を減圧させないように全開としている。
分流コントローラー300から流出した液状態の冷媒は、分流コントローラー300と室内機20a〜20dとを接続する配管を通って、室内機20a〜室内機20dに流入する。室内機20a〜室内機20dに流入した冷媒は、絞り装置21a〜絞り装置21dで膨張(減圧)させられて、低温・低圧の気液二相状態となる。この気液二相状態となった冷媒は、利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dに流入する。利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dに流入した気液二相状態の冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気(室内空気)と熱交換することで、空気から吸熱して、低圧のガス冷媒となって利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dから流出する。
ここでは、図示していないが、通常、利用側熱交換器22の冷媒出入口には、温度センサーが設けられている。そして、利用側熱交換器22への冷媒供給量は、利用側熱交換器22の冷媒出入口に設けられている温度センサーからの温度情報を利用して調整されている。具体的には、それらの温度センサーからの情報に基づいて、制御装置50は、過熱度(出口側における冷媒温度−入口における冷媒温度)を算出し、その過熱度が2〜5℃程度になるように絞り装置21の開度を決定し、利用側熱交換器22への冷媒供給量を調整している。
利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dから流出した低圧ガス冷媒は、室内機20a〜室内機20dから流出し、分流コントローラー300に流入する。冷房運転モード時においては、分流コントローラー300の切換弁12a〜切換弁12dは閉とし、切換弁13a〜切換弁13dは開としている。分流コントローラー300に流入した低圧ガス冷媒は、切換弁13a〜13dを通った後に過冷却熱交換器16から流出した冷媒と合流し、分流コントローラー300から流出する。分流コントローラー300から流出した冷媒は、分流コントローラー300と室外機10とを接続する配管を通って、室外機10に流入する。室外機10に流入した冷媒は、逆止弁5a及び流路切替装置3を介してアキュムレーター4に流入する。アキュムレーター4に流入した冷媒は、液冷媒とガス冷媒とが分離され、ガス冷媒が再び圧縮機1に吸い込まれる。
このような冷房運転モードでは、室内機20において過熱度制御が行なわれているので、液状態の冷媒がアキュムレーター4に流れ込まない。しかしながら、過渡的な状態や、停止している室内機20があるときは、少量の液状態(乾き度0.95程度)の冷媒がアキュムレーター4に流れ込むことがある。アキュムレーター4に流れ込んだ液冷媒は、蒸発して圧縮機1に吸引されたり、アキュムレーター4の出口配管に設けられている油戻し穴(図示省略)を介して圧縮機1に吸引されたりする。
[暖房運転モード]
図3は、空気調和装置100の暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図3では、室内機20の全部が駆動している場合を例に説明する。暖房運転モードでは、流路切替装置3は、熱源側熱交換器2が蒸発器として、利用側熱交換器22が放熱器として作用するように切り替えられる。具体的には、流路切替装置3は、圧縮機1の吐出冷媒を利用側熱交換器22に流入させるように切り替えられる。なお、図3では、冷媒の流れ方向を矢印で示している。
低温・低圧の冷媒が圧縮機1によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機1から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、流路切替装置3及び逆止弁5cを介して室外機10から流出する。室外機10から流出した冷媒は、室外機10と分流コントローラー300とを接続する配管を通って分流コントローラー300に流入する。
分流コントローラー300に流入したガス冷媒は、分流コントローラー300内の気液分離器11に流入する。暖房運転モード時は、気液分離器11に流入する冷媒は全てガス冷媒であるため、気液分離器11から流出する冷媒が切替弁12a〜12d側に流れる。なお、暖房運転モード時においては、切替弁13a〜13dは閉としている。
切替弁12a〜12bに流入したガス冷媒は、分流コントローラー300から流出した後に、分流コントローラー300と室内機20a〜20dとを接続する配管を通って室内機20a〜20dへ流入する。
室内機20a〜室内機20dに流入した高温・高圧のガス冷媒は、利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dで、図示省略の送風機から供給される空気(室内空気)と熱交換することで空気に放熱し、液状態となって利用側熱交換器22a〜利用側熱交換器22dから流出する。この高圧の液状態の冷媒は、絞り装置21a〜絞り装置21dで膨張(減圧)させられて低温・低圧の気液二相状態となり、室内機20a〜室内機20dから流出する。
ここでは、図示していないが、通常、利用側熱交換器22の冷媒出口には、温度センサー及び圧力センサーが設けられている。そして、利用側熱交換器22への冷媒供給量は、利用側熱交換器22の冷媒出口に設けられている温度センサー及び圧力センサーからの情報を利用して調整されている。具体的には、それらのセンサーからの情報に基づいて、制御装置50は、過冷却度(出口側における冷媒の検知圧力から換算された飽和温度−出口側における冷媒温度)を算出し、その過冷却度が2〜5℃程度になるように絞り装置21の開度を決定し、利用側熱交換器22への冷媒供給量を調整している。
室内機20a〜室内機20dから流出した低温・低圧の気液二相状態の冷媒は、室内機20a〜20dと分流コントローラー300とを接続する配管を通って、分流コントローラー300に流入する。分流コントローラー300に流入した気液二相の冷媒は、絞り装置15、過冷却熱交換器17及び過冷却熱交換器16を介して分流コントローラー300から流出する。分流コントローラー300から流出した冷媒は、分流コントローラー300と室外機10とを接続する配管を通って室外機10へ流入する。なお、暖房運転モード時においては、絞り装置14は閉としている。
ここで、絞り装置15は全開としている。本暖房運転モードでは、絞り装置21a〜21dによって冷媒の圧力を調整する場合を説明したが、絞り装置15によって調整してもよいし、絞り装置15及び絞り装置21a〜21dの両方で調整してもよい。
室外機10に流入した気液二相冷媒の冷媒は、逆止弁5bを介して熱源側熱交換器2に流入する。熱源側熱交換器2に流入した低温・圧の気液二相状態の冷媒は、図示省略の送風機から供給される空気と熱交換することで、空気から吸熱して、乾き度が徐々に大きくなる。この熱源側熱交換器2から流出した冷媒は、流路切替装置3を介してアキュムレーター4に流入する。アキュムレーター4に流入した冷媒は、液冷媒とガス冷媒とが分離され、ガス冷媒が再び圧縮機1に吸い込まれる。
[空気調和装置100の電気的な構成]
図4は、空気調和装置100の電気的な接続状態を模式的に説明する回路構成図である。図4に基づいて、空気調和装置100の電気的な構成について説明する。なお、電気品箱30の設置位置については、図5〜図7で詳細に説明する。
制御装置50は、三相交流電源51の交流電圧を直流電圧に変換する整流器52、力率改善を行うためのリアクタ53、平滑コンデンサ54、インバータ主回路55、インバータ主回路55を制御する制御回路56等が実装されているインバータ基板31を備えており、圧縮機1のモータ57に接続されている。
インバータ主回路55は、平滑コンデンサ54によって平滑された直流電源を交流電源に変換するものであり、たとえばシリコン(Si)半導体やワイドバンドギャップ半導体で構成した複数のスイッチング素子で構成される。なお、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン(Si)素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素(SiC)素子の他、例えば、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド素子等が挙げられる。インバータ主回路55の各スイッチング素子は、制御回路56から送られる動作信号(PWM信号、ゲート信号)に基づいてスイッチング動作を行なうようになっている。
制御回路56は、マイコン等で構成されており、図示省略の各種検出手段(たとえば、温度センサーや圧力センサー等)での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、各種アクチュエーターの駆動を実際に制御し、暖房運転や冷房運転を実行するようになっている。なお、図4には、便宜的に圧縮機1のモータ57のみを図示し、たとえば、室内送風機や室外送風機のモータなどについては説明を省略している。また、スイッチング素子だけでなく、ダイオード素子もワイドバンドギャップ半導体によって構成することができる。
[電気品箱30の設置位置]
図5は、実施の形態に係る分流コントローラー300の外観イメージを示す概略斜視図である。図6は、図5に示す分流コントローラー300の側面のうち、電気品箱30が設置された側の側面図である。図7は、図5(a)に示す分流コントローラー300のB−C断面図である。図5〜図7を参照して分流コントローラー300について詳細に説明する。なお、図5(a)は、電気品箱30が取り付けられている側の側面における概略斜視図であり、配管接続口302、303については見えていない。図5(b)は、配管接続口302、303が取り付けられている側における概略斜視図であり、電気品箱30については見えていない。
上述したように、分流コントローラー300は、空気調和装置100の一部を構成し、冷媒配管を介して接続され、空調対象空間を冷房又は暖房をするために、室外機10から供給される冷熱又は温熱を室内機20に供給する。なお、以下の説明において、図5(a)に示す矢印Aから見た面を分流コントローラー300の正面とする。
図5〜図7に示すように、分流コントローラー300は、上記して説明した切替弁12a〜12d、13a〜13dと、過冷却熱交換器16及び過冷却熱交換器17と、絞り装置14及び絞り装置15とに加え以下の構成を有している。すなわち、分流コントローラー300は、分流コントローラー300の外郭を構成し、略直方体形状の外郭パネル301と、外郭パネル301(筐体)に取り付けられるゴムブッシュ92と、外郭パネル301に取り付けられ、リレー33などが設けられる電気品箱30とを有している。なお、以下の説明において、分流コントローラー300の外郭パネル301内の空間を空間S1と称し、電気品箱30内の空間を空間S2と称する。
外郭パネル301は、分流コントローラー300の外郭を構成するものであり、略直方体形状をしている。外郭パネル301には、その正面側に制御装置50等が収容されている電気品箱30が、たとえばヒンジを介して開閉可能なように設けられる。また、外郭パネル301の正面であって電気品箱30が設けられる位置には、空間S1と空間S2とを連通する連通部305が形成されている。そして、この連通部305には、ゴムブッシュ92が設けられている。
外郭パネル301の正面と対向する面には、図5(b)に示すように、室内機20と分流コントローラー300とを接続する配管接続口303が設けられている。また、外郭パネル301の正面に対して右側の面には、図5(b)に示すように、室外機10と分流コントローラー300とを接続する配管接続口302が設けられている。
ゴムブッシュ92は、配線の通る空間を確保しながら、空間S1から空間S2に冷媒が侵入することを抑制するものである。ゴムブッシュ92は、空間S1と空間S2とを連通させる外郭パネル301の開口部分である連通部305に設けられている。このゴムブッシュ92により、たとえ可燃性を有する冷媒が漏れたとしても、外郭パネル301の空間S1から、電気品箱30内の空間S2に冷媒が侵入することを大幅に抑制することができるようになっている。
電気品箱30は、電気部品である制御装置50を収容するものである。電気品箱30内に設けられる制御装置50は、絞り装置14、15、及び切替弁12、13の開閉に用いられるリレー33などに配線304を介して接続されている。より詳細に、絞り装置14、15、及び切替弁12、13に接続される配線は、空間S1からゴムブッシュ92を介して電気品箱30の空間S2に至って制御装置50に接続されている。
表1に、現在有力視されている次世代冷媒における25℃、大気圧(101.3kPa abs)での冷媒ガス密度を示す。物性値はNIST(National Institute of Standards and Technology)が発売しているREFPROP Version 9.0から得られたものである。
Figure 0005832636
表1から、現在有力視されている次世代冷媒のガス密度は、空気密度1.2[kg/m3 ]よりも大きいということがわかる。現在有力視されている次世代冷媒とは、表1に示すように、R32、HFO1234yf、HFO1234ze(E)である。これは、表1に示す冷媒は、空気より重たく、室外機10から漏れ出たとき、室内機20の底部に澱みやすいということを意味している。
たとえば、表1に示した冷媒が現在広く普及している分流コントローラーで漏洩したことを想定したとき、漏洩した冷媒は、分流コントローラーの底面から約10cm程度の高さまでの位置で滞留することがわかっている。そこで、分流コントローラーの底面から10cmを超える高さ位置に配線を通す連通部を形成し、ゴムブッシュを設ければよいことになる。
しかしながら、底面から10cmを超える高さ位置に、連通部を形成した場合には、何らかの事柄が原因で冷媒が上昇し、連通部から電気品箱に流入すると、次世代冷媒が空気より重たいことにより電気品箱内に蓄積してしまい、爆発下限界濃度を超えてしまう可能性がある。
そこで、分流コントローラー300は、連通部305の上面の位置が、外郭パネル301の底面E2から外郭パネル301の高さh1の1/3(図6の線)より低い位置となるように連通部305が形成されている。なお、ここで言う連通部305の上面の位置とは、図6及び図7の線Fに対応している。これにより、たとえ冷媒が漏洩したとしても、冷媒は電気品箱30内に蓄積することがなく、電気品箱30が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはない。
[電気品箱30内の電気部品の配置]
図8は、電気品箱30内の電気部品の配置を模式的に示した模式図である。図8に基づいて、電気品箱30内の電気部品の配置について説明する。上述したように、電気品箱30には、電気部品である制御装置50が収容されている。そして、制御装置50は、インバータ基板31を備えている。
また、電気品箱30内には、制御装置50の他、図1〜図3には図示されていない電磁弁や切替弁12、13などをON/OFFさせるためのリレー33a〜リレー33d等の電気部品が収容されている。なお、制御装置50は、圧縮機1のモータの回転数を数Hzから数百Hzまで変化させるように制御する。
インバータ基板31を構成している電子部品の一部には、上述したようにワイドバンドギャップ半導体が用いられている。図8では、インバータ基板31上に実装されているワイドバンドギャップ半導体を便宜的にワイドバンドギャップ半導体32として図示している。ワイドバンドギャップ半導体32としては、炭化ケイ素(SiC)素子の他、例えば、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド素子等が挙げられることは上述した通りである。
ワイドバンドギャップ半導体32によって形成された半導体素子(たとえば、図4に示したインバータ主回路55等)は、すぐれた耐熱性を有しているため、高い温度でも耐えることができる。このため、電気品箱30内の温度上昇を抑制するための空気と導通させるスリットや穴は不要となり、周囲空気が入り込み難い構造にすることができる。
そこで、電気品箱30は、板金等の不燃材で製作されており、配線の繋ぎこみや電気部品の交換等のサービス時に対応できるように、電気品箱30のカバーが外郭パネル301の正面に対して右側からドライバー等で取り外すことができる構造が採用されている。また、電気品箱30内の空間S2と、外郭パネル301内の空間S1とを連通する連通部305が形成されるが、この連通部305はゴムブッシュ92でシールされている。すなわち、電気品箱30は、電気品箱30内の空間S2に、周囲空気が入り込み難い構造となっている。
電気品箱30をこのような構造にすることによって、冷媒が漏れたとしても、冷媒が電気品箱30に侵入することを大幅に抑制することができ、安全性を更に向上させることができる。つまり、周囲空気が入り込み難い構造を採用することにより、冷媒の侵入に対しての対策を更に強化している。そして、このような周囲空気が入り込み難い構造を電気品箱30に採用しても、耐熱性に優れたワイドバンドギャップ半導体32を用いているため、電気品箱30からの周囲への放熱だけで、電気品箱30内の温度上昇を抑えることができる。
すなわち、分流コントローラー300は、連通部305がゴムブッシュ92でシールされることで周囲空気が入り込み難い構造となっているだけでなく、上述したように、外郭パネル301の底面E2から外郭パネル301の高さh1の1/3(図6の線F)より低い位置となるように連通部305が形成されているので、仮に、冷媒が電気品箱30内に流入してしまっても蓄積してしまうことが防止される。
ワイドバンドギャップ半導体32は、耐熱性が高く高温動作が可能なことから、ファンレス構造、放熱フィンレス構造(あるいは放熱フィンの小型化構造)を採用することが可能となり、電気品箱30を略密閉構造にすることができる。また、ワイドバンドギャップ半導体32によって構成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体32は、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
さらに、図8に示すように、電気品箱30では、着火源と成り得るリレー33a〜リレー33dや、高温となるワイドバンドギャップ半導体32等の電気部品をできるだけ上部に配置するようにしている。そこで、電気品箱30では、電気部品の底面E4、E5が電気品箱30の底面E3から電気品箱30の高さh2の1/3(図8の線G)より高い位置となるように電気部品を配置することとしている。こうすることで、たとえ冷媒が漏洩したとしても、電気部品が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはない。このような配置にすることによって、電気品箱30の隙間から漏洩した冷媒が侵入したとしても、冷媒は電気品箱30の下部に滞留するので、安全性が更に向上することになる。
表1に示した冷媒が現在広く普及している電気品箱内に浸入したことを想定したとき、侵入した冷媒は、電気品箱の底面から数十cm程度の高さまでの位置で滞留することがわかった。このことから、電気品箱の底面から数十cmを超える高さ位置に電気部品を設置すればよいことになるが、分流コントローラー300では、安全性の配慮だけでなく、メンテナンス性や操作性等も考慮して、電気部品の底面E4、E5が電気品箱30の底面E3から電気品箱30の高さh2の1/3より高い位置となるように電気部品を配置することとした。
[ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇抑制]
図9は、ワイドバンドギャップ半導体32の設置例を模式的に示す模式図である。図9に基づいて、ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇を抑制することで安全性を更に向上させる場合について説明する。なお、図9(a)がワイドバンドギャップ半導体32と温度検知手段34を正面から見た透視図であり、図9(b)が図8に示すH方向からワイドバンドギャップ半導体32と温度検知手段34見た図である。
表2に、現在有力視されている次世代冷媒それぞれの発火温度を示す。
Figure 0005832636
表2に示す発火温度とは、冷媒自身がその温度になると発火する温度である。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体32が表2に示す温度以上になり、冷媒が爆発下限界以上の濃度となった場合、冷媒が発火する可能性がある。このことから、電気品箱30内の電気部品で最も高温となるワイドバンドギャップ半導体32の表面温度を、空気調和装置100に使用する冷媒の発火温度未満にしなければならないということがわかる。
そこで、ワイドバンドギャップ半導体32の温度を適宜検知できるように、ワイドバンドギャップ半導体32の表面に温度検知手段34を接触させるとよい。ワイドバンドギャップ半導体32の温度を適宜検知できれば、ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇の抑制を効率的に図ることができる。たとえば、熱伝導性接着剤を用いて、ワイドバンドギャップ半導体32の表面に温度検知手段34を貼り付けて、両者を接触させることができる。または、図9に示すように、アタッチメント35と止め具36を用いて、温度検知手段34とワイドバンドギャップ半導体32とを接触させることができる。
なお、温度検知手段34としては、サーミスターを用いるとよい。または、熱電対等の他の温度センサーを温度検知手段34として用いてもよい。また、アタッチメント35及び止め具36は、その材質や形状、大きさ、個数などを図示したものに限定するものではなく、ワイドバンドギャップ半導体32と温度検知手段34とを接触させることが可能な構成になっていればよい。
ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇抑制動作について説明する。温度検知手段34がワイドバンドギャップ半導体32の表面温度が所定温度であることを検知したとき、制御装置50は、空気調和装置100の運転を停止させる。または、制御装置50は、圧縮機1の回転数を下げる。このような制御をすることにより、ワイドバンドギャップ半導体32のそれ以上の発熱を抑えることができ、ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇の抑制を図ることが可能になる。
この制御を施しても、ワイドバンドギャップ半導体32の表面温度が所定温度未満に下がらないときは、制御装置50は、空気調和装置100を完全に停止させる。つまり、制御装置50は、ワイドバンドギャップ半導体32の温度が、ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇抑制制御の開始条件に使用する所定温度(抑制制御開始温度)に到達した際、ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇を抑制させる制御を実行する。このような制御を行うことで、冷媒漏洩時のリスクをさらに低減させることができ、安全性を大幅に向上させた空気調和装置100を提供することができる。なお、このような制御を行った場合には、音声や表示により、外部に報知可能にしておくとよい。
次に、所定温度(抑制制御開始温度)について説明する。ワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇抑制制御の開始条件に使用する所定温度である抑制制御開始温度は、サーミスターのバラツキや、サーミスターとワイドバンドギャップ半導体との取り付けバラツキ等を考慮して決定する必要がある。また、冷媒の発火温度は、冷媒周辺の湿度や温度によっても変化する。つまり、所定温度を発火温度と同じに設定した場合、条件次第ではワイドバンドギャップ半導体32の温度上昇抑制制御を実行したり、しなかったりしてしまうことが想定できる。
そのため、所定温度の設定には、かなりマージンをとらなければならない。このような背景から、あらゆる環境的影響、経年劣化、個体バラツキなどを考慮し、空気調和装置100では所定温度を「使用する冷媒の発火温度−100℃程度」に設定することにした。使用する冷媒に応じて所定温度を変更すればよいが、汎用性を考慮して表2に示す冷媒の中で最も発火温度が低いHFO1234ze(E)を基準として所定温度を設定するとよい。この場合の所定温度は、約188℃となる。
また、ワイドバンドギャップ半導体32は、確かに耐熱性に優れるが、200℃以上では、故障する可能性が高くなる。そこで、安全性を確保するとともに、ワイドバンドギャップ半導体32の信頼性を確保するために、所定温度を150℃付近に設定することにしている。こうすれば、安全性の確保とともに、ワイドバンドギャップ半導体32の信頼性の確保にもなり、空気調和装置100の信頼性が大幅に向上することになる。
[本実施の形態に係る空気調和装置100の有する効果]
本実施の形態に係る空気調和装置100の分流コントローラー300は、連通部305の上面の位置が、外郭パネル301の底面E2から外郭パネル301の高さh1の1/3(図6の線F)より低い位置となるようにしているので、たとえ冷媒が漏洩したとしても、冷媒は電気品箱30内に蓄積することがなく、電気品箱30が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはない。
本実施の形態に係る空気調和装置100の分流コントローラー300は、電気部品の底面E4、E5が、電気品箱30の底面E3から電気品箱30の高さh2の1/3より高い位置となるように電気部品を配置することとしている。これにより、電気品箱30の隙間から、冷媒が電気品箱30内の空間S2に侵入したとしても、冷媒は電気品箱30の下部に滞留し、電気部品が爆発下限界濃度を超える領域にさらされることはなく、分流コントローラー300の安全性が更に向上することになる。
本実施の形態に係る空気調和装置100の分流コントローラー300は、連通部305がゴムブッシュ92でシールされることで周囲空気が入り込み難い構造となっているので、たとえ冷媒が漏れたとしても、外郭パネル301の空間S1から電気品箱30内の空間S2に冷媒が侵入することを大幅に抑制することができる。
本実施の形態に係る空気調和装置100の分流コントローラー300は、インバータ基板31の一部にワイドバンドギャップ半導体32を用いているので、耐熱性にすぐれ、高い信頼性を確保することができる。
本実施の形態に係る空気調和装置100の分流コントローラー300は、インバータ基板31の一部にワイドバンドギャップ半導体32を用いているので、ファンレス構造、放熱フィンレス構造(あるいは放熱フィンの小型化構造)を採用することが可能となり、電気品箱30を略密閉構造にすることができる。
本実施の形態に係る空気調和装置100は、分流コントローラー300を備えているので、分流コントローラー300と同様に安全性及び信頼性が大幅に向上したものになる。
1 圧縮機、2 熱源側熱交換器、3 流路切替装置、4a、4b 冷媒配管、4 アキュムレーター、5a〜5d 逆止弁、10 室外機、11 気液分離器、12a〜12d 切替弁、13a〜13d 切替弁、14 絞り装置、15 絞り装置、16 過冷却熱交換器、17 過冷却熱交換器、20 室内機、20a〜20d 室内機、21 絞り装置、21a〜21d 絞り装置、22 利用側熱交換器、22a〜22d 利用側熱交換器、30 電気品箱、31 インバータ基板、32 ワイドバンドギャップ半導体、33 リレー、33a〜33d リレー、34 温度検知手段、35 アタッチメント、36 止め具、50 制御装置、51 三相交流電源、52 整流器、53 リアクタ、54 平滑コンデンサ、55 インバータ主回路、56 制御回路、57 モータ、92 ゴムブッシュ、100 空気調和装置、300 分流コントローラー、301 外郭パネル、302 配管接続口、302a、302b 配管接続口、303 配管接続口、303a〜303h 配管接続口、304 配線、305 連通部、S1 空間、S2 空間。

Claims (15)

  1. 可燃性冷媒を用いた空気調和装置の一部を構成する分流コントローラーであって、
    筐体と、
    前記筐体内に設けられ、冷媒を流すか否かを切り替える切替弁と、
    少なくとも前記切替弁を制御する制御装置と、
    前記筐体に設置され、前記制御装置及び前記空気調和装置を構成する駆動部品の制御に利用される電気部品が少なくとも収容される電気品箱と、を有し、
    前記筐体は、
    記電気品箱連通し、前記筐体の底面から前記筐体の高さの1/3よりも低い位置に形成される開口部を有し、
    前記電気品箱は、
    前記筐体の前記開口部の形成面に設置され、
    前記制御装置及び前記電気部品は、
    それらの各底面が、前記電気品箱の底面から前記電気品箱の高さの1/3よりも高い位置に配置されている
    ことを特徴とする分流コントローラー。
  2. 前記開口部には、
    前記筐体内から前記電気品箱内とをシールするゴムブッシュが設けられ、
    前記制御装置は、
    前記切替弁と前記ゴムブッシュを介して接続されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の分流コントローラー。
  3. 前記制御装置を構成する素子の少なくとも一部は、
    ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の分流コントローラー。
  4. 前記ワイドバンドギャップ半導体の温度を検知する温度検知手段を設け、
    前記温度検知手段は、
    前記ワイドバンドギャップ半導体の表面に接触するように設置されている
    ことを特徴とする請求項3に記載の分流コントローラー。
  5. 前記制御装置は、
    前記温度検知手段が予め設定されている所定温度を検知したとき、前記空気調和装置の運転を停止する
    ことを特徴とする請求項4に記載の分流コントローラー。
  6. 前記所定温度を150℃以上に設定した
    ことを特徴とする請求項5に記載の分流コントローラー。
  7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、
    炭化ケイ素素子、窒化ガリウム素子、及び、ダイヤモンド素子の少なくとも一つで構成されている
    ことを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  8. 前記可燃性を有する冷媒にR32を用いた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  9. 前記可燃性を有する冷媒にHFO1234yfを用いた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  10. 前記可燃性を有する冷媒にHFO1234ze(E)を用いた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  11. 前記可燃性を有する冷媒にR32とHFO1234yfとの混合冷媒を用いた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  12. 前記可燃性を有する冷媒にR32とHFO1234ze(E)との混合冷媒を用いた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の分流コントローラー。
  13. 請求項1〜12のいずれか一項に記載の分流コントローラーと、
    利用側熱交換器及び絞り装置が搭載され、前記分流コントローラーに冷媒配管を介して接続される室内機と、
    圧縮機及び熱源側熱交換器が搭載され、前記分流コントローラーに冷媒配管を介して接続される室外機と、を備えた
    ことを特徴とする空気調和装置。
  14. 前記制御装置は、
    前記温度検知手段が予め設定されている所定温度を検知したとき、前記圧縮機の回転数を現在の回転数よりも減少させる
    ことを特徴とする請求項4に従属する請求項13に記載の空気調和装置。
  15. 前記制御装置は、
    所定時間が経過後に、前記ワイドバンドギャップ半導体の温度が所定温度未満にならないとき、前記空気調和装置の運転を停止する
    ことを特徴とする請求項14に記載の空気調和装置。
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