JP6819706B2 - 冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Description
300(cm3/min)よりも大きく、
300×R(cm3/min)よりも小さい。
R=(ρmd×Vmd×Ad)/(Cr×(2×ΔPr/ρ 1rl )0.5×Av×ρ1rl+Av×(2/(λ+1))((λ+1)/2(λ−1))×(λ×P1r×ρ1rg)0.5)
である。
1<R<10.1
である。
図1及び図2に示すように、冷媒サイクル装置の一実施形態としての空気調和装置1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、ビル等の建物内の部屋の冷房や暖房を行う装置である。空気調和装置1は、主として、熱源側ユニット2と、複数の利用側ユニット3a、3b、3c、3dと、各利用側ユニット3a、3b、3c、3dに接続される中継ユニット4a、4b、4c、4dと、冷媒連絡管5、6と、制御部19(図4参照)と、を有している。複数の利用側ユニット3a、3b、3c、3dは、熱源側ユニット2に対して、互いが並列に接続される。冷媒連絡管5、6は、中継ユニット4a、4b、4c、4dを介して、熱源側ユニット2と利用側ユニット3a、3b、3c、3dとを接続する。制御部19は、熱源側ユニット2、利用側ユニット3a、3b、3c、3d及び中継ユニット4a、4b、4c、4dの構成機器を制御する。そして、空気調和装置1の蒸気圧縮式の冷媒回路10は、図2に示すように、熱源側ユニット2の熱源側回路222と、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの利用側回路3aa、3bb、3cc、3ddと、中継ユニット4a、4b、4c、4dの液接続管61a、61b、61c、61d及びガス接続管62a、62b、62c、62dと、冷媒連絡管5、6とが接続されることによって構成されている。
液冷媒連絡管5は、主として、熱源側ユニット2から延びる合流管部と、中継ユニット4a、4b、4c、4dの手前で複数(ここでは、4つ)に分岐した第1分岐管部5a、5b、5c、5dと、中継ユニット4a、4b、4c、4dと利用側ユニット3a、3b、3c、3dとを接続する第2分岐管部5aa、5bb、5cc、5ddと、を有している。
利用側ユニット3a、3b、3c、3dは、ビル等の室内に設置されている。利用側ユニット3a、3b、3c、3dは、上記のように、液冷媒連絡管5、ガス冷媒連絡管6及び中継ユニット4a、4b、4c、4dを介して熱源側ユニット2に接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。
熱源側ユニット2は、ビル等の建物の室外、例えば屋上や地上に設置されている。熱源側ユニット2は、上記のように、液冷媒連絡管5、ガス冷媒連絡管6及び中継ユニット4a、4b、4c、4dを介して利用側ユニット3a、3b、3c、3dに接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。
中継ユニット4a、4b、4c、4dは、ビル等の建物の部屋SP(図3参照)の天井裏の空間SP1に設置されている。中継ユニット4a、4b、4c、4dは、液冷媒連絡管5及びガス冷媒連絡管6とともに、利用側ユニット3a、3b、3c、3dと熱源側ユニット2との間に介在しており、冷媒回路10の一部を構成している。中継ユニット4a、4b、4c、4dは、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの近くに配置される場合もあるが、利用側ユニット3a、3b、3c、3dから離れて配置されている場合や、中継ユニット4a、4b、4c、4dが1箇所にまとめて配置されている場合もある。
制御部19は、図4に示すように、熱源側制御部92と、中継側制御部94a、94b、94c、94dと、利用側制御部93a、93b、93c、93dとが、伝送線95、96を介して接続されることによって構成されている。熱源側制御部92は、熱源側ユニット2の構成機器を制御する。中継側制御部94a、94b、94c、94dは、中継ユニット4a、4b、4c、4dの構成機器を制御する。利用側制御部93a、93b、93c、93dは、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの構成機器を制御する。熱源側ユニット2に設けられた熱源側制御部92と、中継ユニット4a、4b、4c、4dに設けられた中継側制御部94a、94b、94c、94dと、利用側ユニット3a、3b、3c、3dに設けられた利用側制御部93a、93b、93c、93dとは、互いに、伝送線95、96を介して制御信号等の情報のやりとりを行えるようになっている。
次に、空気調和装置1の基本動作について説明する。空気調和装置1の基本動作には、上記のように、冷房運転及び暖房運転がある。なお、以下に説明する空気調和装置1の基本動作は、空気調和装置1(熱源側ユニット2、利用側ユニット3a、3b、3c、3d及び中継ユニット4a、4b、4c、4d)の構成機器を制御する制御部19によって行われる。
冷房運転の際、例えば、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの全てが冷房運転(利用側熱交換器52a、52b、52c、52dの全てが冷媒の蒸発器として機能し、かつ、熱源側熱交換器23が冷媒の放熱器として機能する運転)を行う際には、切換機構22が冷房運転状態(図2の切換機構22の実線で示された状態)に切り換えられて、圧縮機21、熱源側ファン24及び利用側ファン55a、55b、55c、55dが駆動される。また、中継ユニット4a、4b、4c、4dの液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dは全開状態にされる。
暖房運転の際、例えば、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの全てが暖房運転(利用側熱交換器52a、52b、52c、52dの全てが冷媒の放熱器として機能し、かつ、熱源側熱交換器23が冷媒の蒸発器として機能する運転)を行う際には、切換機構22が暖房運転状態(図2の切換機構22の破線で示された状態)に切り換えられて、圧縮機21、熱源側ファン24及び利用側ファン55a、55b、55c、55dが駆動される。また、中継ユニット4a、4b、4c、4dの液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dは、全開状態にされる。
次に、冷媒漏えい時の空気調和装置1の動作について、図5に示す制御フローを用いて説明する。なお、以下に説明する冷媒漏えい時の空気調和装置1の動作は、上記の基本動作と同様に、空気調和装置1(熱源側ユニット2、利用側ユニット3a、3b、3c、3d及び中継ユニット4a、4b、4c、4d)の構成機器を制御する制御部19によって行われる。
上述のように、液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dは、冷媒の漏えいが検知されたときに閉まるように制御される(図4のステップS7を参照)。言い換えると、利用側ユニット3a、3b、3c、3dのいずれかにおいて冷媒の漏えいが検知されると、対応する中継ユニット4a、4b、4c、4dの液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dが、開いた非遮断状態から、閉じた遮断状態に切り換わる。
まず、遮断弁の選定をする前に、空気調和装置1が配備される建物の情報、具体的には、利用側ユニット3a、3b、3c、3dが設置される部屋の情報を入手する。
次に、順を追って、液中継遮断弁及びガス中継遮断弁の選定に必要となる遮断時漏れ量の算出方法について説明する。なお、以下の説明においては、本実施形態に係る空気調和装置1に特有の遮断弁や利用側ユニットではなく、一般的な遮断弁や利用側ユニットについて述べるため、符号を付さずに説明を行う。
上記の「発明の概要」において説明したように、日本冷凍空調工業会のガイドラインの「付属書A(規定)安全遮断弁の仕様」において、流体が空気であって安全遮断弁の前後の差圧が1MPaであるときに、300(cm3/min)以下が、安全遮断弁が満足すべき閉弁時漏れ量と規定されている。これらの条件から、まず、遮断弁閉鎖時における弁隙間を求める。
P2/P1=(1+0.1013)/0.1013=10.87
(2/(κ+1))×(κ/(κ−1))=(2/2.4)×1.4/0.4=0.528
なので、流速は超音速を超える。
(式1):
Ga=Av×(2/(κ+1))((κ+1)/2(κ−1))×(κ×P1a×ρ1a)0.5
(式2):
Av=Qa×ρ2a×(2/(κ+1))(−(κ+1)/2(κ−1))×(κ×P1a×ρ1a)(−0.5)
(式3):
dv=(4×Av/π)0.5
dvG=dvL=5.47E−5(m)
AvG=AvL=2.24E−9(m2)
となる。
次に、求めた弁隙間(dvG)から漏れる冷媒の漏れ速度Grを計算する。
(式4):
GrL=Cr×(2×ΔPr/ρ1rl)0.5×AvL×ρ1rl
になる。
(式5):
GrG=AvG×(2/(λ+1))((λ+1)/2(λ−1))×(λ×P1r×ρ1rg)0.5
になる。
(式6):
Gr=GrL+GrG
=Cr×(2×ΔPr/ρ1rl)0.5×AvL×ρ1rl
+AvG×(2/(λ+1))((λ+1)/2(λ−1))×(λ×P1r×ρ1rg)0.5
になる。
冷媒として、R32、R452B、R454B、R1234yf、R1234ze(E)のいずれかを想定し、各冷媒の物性値に関しては、NIST Refprop V9.1を用いて算出する。
空気調和装置が停止した後、遮断弁よりも熱源側ユニットの側(上流側)にある冷媒の圧力は、建物の外の最高温度によって決まると考えることができる。米国における空気調和装置の高温試験条件(以下の表1)から、外の最高温度を55℃と設定し、遮断弁の上流側の冷媒圧力が55℃における飽和圧力であると設定している。
液相の冷媒の質量濃度(kg/m3)である液密度、ガス相の冷媒の質量濃度(kg/m3)については、NIST Refprop V9.1を用いて算出する。
比熱比については、NIST Refprop V9.1を用いて算出する。なお、27℃の冷媒の飽和ガスの比熱比を用いる。
遮断弁を遮断状態にした後、遮断弁の上流側の液側ラインの冷媒及びガス側ラインの冷媒が、液相・気相となっているか、気相・気相となっているか、いずれも想定される。ここでは、冷媒の漏れ量がより大きく算出される前者と想定した計算を行う。言い換えると、遮断弁を遮断状態にした後、遮断弁の上流側の液側ラインの冷媒が液相で、遮断弁の上流側のガス側ラインの冷媒が気相であるとして、計算を行う。
次に、ドアDRの下の隙間UCから部屋の外に排出される冷媒の冷媒排出速度Gdを計算する。
(式7):Gd=ρmd×Vmd×Ad
(式8):Vmd=Cd×(2×Δpd/ρmd)0.5
(式9):Δpd=(ρmd−ρa)×g×hs
(式10):ρmd=ρmr+ρma
(式11):ρmr=N/100×(Ur×10−3)/(24.5×10−3)
(式12):ρma=(100−N)/100×(Ua×10−3)/(24.5×10−3)
(式13):N=LFL/S
(4−2−3−B)部屋の中の平均冷媒濃度のLFLに対する安全係数
漏れ高さは、利用側ユニットが天井に設置される場合は例えば2.2mとなり、利用側ユニットが床に設置される場合は例えば0.6mとなる(IEC60335-2-40:2016年を参照)。また、安全係数でLFLを除すことによって許容平均濃度になるが、安全係数を4にするか2にするかで、冷媒排出速度は、例えば以下の表3に示すように影響を受ける。
次に、ドアDRの下に隙間UCがある場合の遮断弁の遮断状態における最大許容空気漏れ量(Qmax)を計算する。
(式14):
R=Gd/Gr
(式15):
Qmax=300×R
(式16):
R=(ρmd×Vmd×Ad)/(Cr×(2×ΔPr/ρ 1rl )0.5×Av×ρ1rl
+Av×(2/(λ+1))((λ+1)/2(λ−1))×(λ×P1r×ρ1rg)0.5)
次に、実際に市場において生じた冷媒漏れのケースを調査した結果に基づき、利用側ユニットの利用側回路に開く冷媒漏れの穴について考察する。
以上、遮断時漏れ量などの算出に関する説明を行ったが、各式で使われる記号等について、特に断りが無い場合、記号等には以下(4−2−6−1)〜(4−2−6−3)の意味が含まれている。
A:面積(単位は、m2)
C:流量係数
d:相当直径(単位は、m)
G:質量流量速度(単位は、kg・s−1)
g:重力加速度(単位は、m・s−2)
h:漏れ高さ(単位は、m)
L:冷媒燃焼下限界LFL(単位は、kg・m−3)
N:冷媒体積濃度(単位は、vol%)
P:圧力(単位は、Pa)
Q:体積流量速度(単位は、m3・s−1)
R:弁漏れ量許容倍数
Δp:差圧(単位は、Pa)
S:安全係数
U:冷媒分子量
v:速度(単位は、m・s−1)
κ:空気比熱比
λ:冷媒比熱比
ρ:質量濃度(単位は、kg・m−3)
a:空気
d:ドアの下の隙間
g:気相
l:液相
m:冷媒と空気の混合
r:冷媒
s:冷媒漏えい点
v:遮断弁
G:ガス側ライン
L:液側ライン
1:上流
2:下流
max:許容
(5−1)
空気調和装置1では、その利用側ユニット3a、3b、3c、3dが設置される部屋SPの寸法(ドアDRの下の隙間UCの寸法や天井高さ)、冷媒の種類(R32)、利用側ユニット3a、3b、3c、3dの設置場所(床置きではなく天井設置)などの条件に合わせて、上記の(4−2)で述べた方法で遮断弁に要求される最大許容空気漏れ量(遮断時漏れ量)を算出し、液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dの仕様を決めている。具体的には、上記のガイドラインの付属書Aで規定されている仕様における300(cm3/min)という遮断時漏れ量の基準値に対して、どれぐらい許容量を大きくできるのかを、300(cm3/min)に対する倍率Rとして算出している。そして、上記の表4にあるような具体的な倍率Rの数値を求めている。ここでは、冷媒としてR32を使って部屋SPの天井に利用側ユニット3a、3b、3c、3dを設置する場合、安全係数Sを4とすれば、表4に示すとおり倍率R=1.96となる。
上記の(4−2−5)で述べたように、液中継遮断弁71a、71b、71c、71d及びガス中継遮断弁68a、68b、68c、68dの最大許容空気漏れ量(遮断時漏れ量)が大きくなり過ぎてしまうと、遮断の意義が無くなってしまう。
(6−1)
上記の実施形態に係る空気調和装置1は、ビル等の建物の部屋に設置されるが、他の建物の内部空間に設置される場合には、遮断弁の仕様の選定も対象空間の条件に合うように変更すればよい。例えば、工場の内部空間、厨房、データセンタ、電算機室、商業施設の内部空間、など、様々な空間に対して、適切な遮断弁の選定をすることができる。
上記の実施形態の説明では、空気調和装置1の冷媒回路10を循環させる冷媒としてR32を例にとって説明したが、R1234yf、R1234ze(E)、R452Bなど、他の微燃性冷媒を使う場合には、上述のとおり冷媒の分子量やLFLなどの条件の違いに応じて倍率Rを算出し、それに合った遮断弁の仕様を選定することになる。
上記の実施形態では、冷媒漏えい時の空気調和装置1の動作の一例として図5に示す制御フローを示したが、冷媒漏えい時の動作として他の動作を行わせることもできる。例えば、冷媒漏えいを検知したときに、ポンプダウン運転を行わせ、その後に遮断弁を閉める制御を行ってもよい。
上記の実施形態では、ステップS4およびステップS5において、利用側ユニット3a、3b、3c、3dに冷房運転を行わせ、熱源側膨張弁25の開度を小さくして、利用側ユニット3a、3b、3c、3dに流れていく冷媒の圧力を下げている。しかし、この制御は一例であり、他の制御を行ってもよい。
上記の実施形態では、利用側ユニットの例として、天井に埋め込まれる形で設置される利用側ユニット3a、3b、3c、3dを挙げているが、他の形式の利用側ユニットであっても遮断弁の選定方法は同様である。例えば、天井吊り下げタイプの利用側ユニットでも、床置きタイプの利用側ユニットでも、側壁に固定される壁掛けタイプの利用側ユニットでも、上記の(式16)によって倍率Rを求めることができる。
2 熱源側ユニット
3a、3b、3c、3d 利用側ユニット
3aa、3bb、3cc、3dd 利用側回路
5 液冷媒連絡管
6 ガス冷媒連絡管
10 冷媒回路
19 制御部
68a、68b、68c、68d ガス中継遮断弁(第2遮断弁)
71a、71b、71c、71d 液中継遮断弁(第1遮断弁)
79a、79b、79c、79d 冷媒漏えい検知部(検知部)
222 熱源側回路
Claims (3)
- ISO817で微燃性(A2L)に区分される冷媒である微燃性の冷媒を冷媒回路(10)において循環させる冷媒サイクル装置(1)であって、
前記冷媒回路の第1部分(3aa、3bb、3cc、3dd)の両側に設けられる第1遮断弁(71a、71b、71c、71d)及び第2遮断弁(68a、68b、68c、68d)と、
前記冷媒回路の前記第1部分から所定空間(SP)への冷媒の漏えいを検知する検知部(79a、79b、79c、79d)と、
前記検知部により前記所定空間への冷媒の漏えいが検知されたときに、前記第1遮断弁及び前記第2遮断弁を遮断状態として、前記所定空間への冷媒の漏えいを抑制する、制御部(19)と、
を備え、
前記第1遮断弁及び前記第2遮断弁は、それぞれ、前記遮断状態において、流体が20℃の空気であって且つ前後の差圧が1MPaであるときの空気の漏れ量である遮断時漏れ量が、
300(cm3/min)よりも大きく、
300×R(cm3/min)よりも小さい、
但し、
R=
(ρmd×Vmd×Ad)/(Cr×(2×ΔPr/ρ 1rl )0.5×Av×ρ1rl
+
Av×(2/(λ+1))((λ+1)/2(λ−1))
×(λ×P1r×ρ1rg)0.5)
であり、
Avは、前記第1遮断弁及び前記第2遮断弁それぞれの、前記遮断状態における弁隙間断面積(m2)であり、
ρ1rlは、液相の冷媒の質量濃度(kg/m3)であり、
ρ1rgは、ガス相の冷媒の質量濃度(kg/m3)であり、
P1rは、第1遮断弁及び第2遮断弁それぞれの、上流側の冷媒の圧力(MPa)であり、建物の外の最高温度を55℃と設定した場合の冷媒の飽和圧力であり、
λは、冷媒の比熱比であり、
ρmdは、前記所定空間へと冷媒が漏洩したのち前記所定空間の冷媒の許容平均濃度に達した空気及び冷媒の混合気体が前記所定空間の内外を仕切るドアの隙間を通るときの、空気及び冷媒の混合気体の質量濃度(kg/m3)であり、
Vmdは、前記所定空間へと冷媒が漏洩したのち前記所定空間の冷媒の許容平均濃度に達した空気及び冷媒の混合気体が前記所定空間の内外を仕切るドアの隙間を通るときの、空気及び冷媒の混合気体の速度(m/s)であり、
Adは、前記所定空間の内外を仕切るドアの隙間の面積(m2)であり、
ΔPrは、冷媒が漏えいしている箇所の穴の内側及び外側の圧力差(Pa)であり、建物の外の最高温度を55℃と設定した場合の冷媒の飽和圧力と大気圧との差圧であり、
Crは、冷媒が漏えいしている箇所の穴を液相の冷媒が通過する際の冷媒の流量係数であって、0.6である、
冷媒サイクル装置(1)。 - 前記Rが、
1<R<10.1
である、
請求項1に記載の冷媒サイクル装置(1)。 - 前記冷媒回路(10)は、前記所定空間(SP)あるいは前記所定空間(SP)と連通する空間に設けられる利用側ユニット(3a、3b、3c、3d)が有する利用側回路(3aa、3bb、3cc、3dd)と、熱源側ユニット(2)が有する熱源側回路(222)と、前記利用側回路と前記熱源側回路とを結ぶ液冷媒連絡管(5)及びガス冷媒連絡管(6)と、を有し、
前記冷媒回路の前記第1部分は、前記利用側回路であり、
前記第1遮断弁(71a、71b、71c、71d)は、前記液冷媒連絡管に設けられ、
前記第2遮断弁(68a、68b、68c、68d)は、前記ガス冷媒連絡管に設けられる、
請求項1又は2に記載の冷媒サイクル装置(1)。
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