JP4864059B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、可燃性冷媒を用いた冷媒回路を備えたヒートポンプ給湯機に関するものである。

空調機、冷蔵庫などの冷凍機器に備えられた冷媒回路に用いる冷媒として、地球温暖化係数の小さな二酸化炭素、炭化水素などの自然冷媒が使用されている。
冷媒回路を有する冷凍機器のなかで、家庭用のヒートポンプ給湯機は、冷媒として二酸化炭素を用いているものが多い。また、可燃性である炭化水素系冷媒も二酸化炭素と同様に、地球温暖化係数が小さいことから、今後、冷媒として用いられることが考えられる。

炭化水素系冷媒は地球温暖化係数が小さいという利点を有するが、一方で可燃性という性質を持つため、冷媒として用いた場合、冷媒回路外に漏洩したときに、何らかの着火源により引火して燃焼するという危険性を伴う。
そのため、炭化水素などの可燃性冷媒を用いた場合は、冷媒が漏洩したときに、冷媒の燃焼により冷凍機器が燃焼するおそれをなくすための安全策を備える必要がある。

そこで、可燃性冷媒を用いた冷媒回路を備える冷凍機器において、冷媒回路内の冷媒を放出方向を変えながら大気中に拡散放出可能なリリーフ拡散弁を設置し、漏洩した冷媒が燃焼するおそれがないようにした冷凍機器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、冷媒を冷媒回路外に排出する排出手段を備え、排出部近傍に冷媒を拡散するファンを備えた冷凍機器もある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１４５０７５号公報（第３頁−第４頁、図１） 特開２０００−９７５０５号公報（第３頁−第５頁、図１、図２）

冷媒が漏洩した場合、特許文献１記載の冷凍機器は、拡散放出可能なリリーフ弁の設置により漏洩した冷媒を拡散させたり、また、特許文献２記載の冷凍機器は、漏洩した冷媒を拡散するファンにより拡散させたりするが、いずれの場合も、排出部より漏洩した冷媒が燃焼した場合に、冷凍機器に延焼して、冷凍機器が燃焼することを防ぐことができない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、排出部より漏洩した冷媒が燃焼した場合に、冷凍機器に延焼して、冷凍機器が燃焼することのない安全性の高い冷媒回路を備えたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出した冷媒と負荷媒体との間で熱交換する凝縮器と、凝縮器の下流側の冷媒を減圧する膨張弁と、膨張弁より減圧された冷媒を蒸発する空気熱交換器とが環状に接続され、冷媒として可燃性の冷媒を用いた冷媒回路を備え、膨張弁の出口と圧縮機の入口との間に設けられ、冷媒回路の設計圧力以上で作動するように設定され、冷媒回路内の冷媒圧力が設計圧力以上になると冷媒を放出する保護装置と、保護装置を覆う延焼防止用の覆いと、冷媒が放出されたことを検知する検知手段と、放出された冷媒を拡散する送風機と、を備え、保護装置は、冷媒回路内の冷媒温度が設計圧力における冷媒の飽和温度より所定温度高くなると溶解する可溶合金で形成された可溶栓であり、検出手段は、常時通電している可溶栓の可溶合金が溶解により非通電状態となることを検出することで、冷媒が放出されたことを検知する。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、冷媒回路に炭化水素などの可燃性冷媒を使用したもので、冷媒回路上に保護装置を備えることで冷媒が漏洩する箇所をあらかじめ特定しておき、保護装置の延焼防止用の覆いを設けることにより、漏洩した冷媒が燃焼した場合に、冷凍機器全体に引火することを防ぐことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の冷媒回路構成図、図２は図１の要部を拡大した構成図である。
図１において、ヒートポンプ給湯機は、炭化水素などの可燃性冷媒を使用した冷媒回路を備えている。この冷媒回路は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１と、圧縮機１から吐出した冷媒と給湯回路を循環する負荷媒体である水とを熱交換する凝縮器２と、凝縮器２の下流側の冷媒を減圧する膨張弁３と、減圧された冷媒を蒸発する空気熱交換器４とを備え、これらが環状に接続されている。なお、空気熱交換器４の吹出側には送風機５が設置されている。

この冷媒回路において、膨張弁３の出口と圧縮機１の入り口との間の冷媒配管３ａには分岐管を介して保護装置６が設けられている。この保護装置６は、冷媒回路の設計圧力より大きく保障耐圧力より小さい範囲で作動するように設定されており、冷媒回路内の冷媒圧力が設計圧力より大きくなると冷媒が漏洩するようになっている。７は保護装置６に設けた延焼防止用の覆いであり、漏洩した冷媒が燃焼したときに、冷凍機器全体に延焼しないようにしてある。

保護装置６は冷媒回路内の圧力が設計圧力より大きくなると作動して冷媒が漏洩するようになっているため、冷媒は冷媒回路内で最も漏洩されやすい保護装置６から放出されることになる。このため、あらかじめ冷媒が漏洩する箇所を特定することができ、また、保護装置６には延焼防止用の覆い７が設置されているため、冷媒が燃焼したときに、冷凍機器全体に延焼することを防止することができる。

保護装置６には、例えば可溶栓や破裂板を用いる。可溶栓とは、通常、ガスが封入された容器を封止する、ある温度で融解する可溶合金であって、容器の温度が過度に上昇したときは、可溶合金が融解してガスを放出し、容器の破裂事故等を防ぐようにしたものである。また、破裂板とは、同様に容器内のガスが所定の圧力に達すると破裂してガスが放出され、容器を保護するようにしたものである。
本実施の形態における保護装置６は、上記のような可溶栓又は破裂板を冷媒配管３ａに分岐管を介して設けたものである。

そこで、可溶合金が融解して可溶栓が作動する温度域を、ヒートポンプ給湯機の設計圧力における冷媒の飽和温度より高く、保障耐圧力に対応する冷媒の飽和温度より低くする。こうすると、冷媒が漏洩する場合に、最も放出されやすい可溶栓より放出されるため、冷媒回路内で冷媒が漏洩する位置を固定することができる。また、破裂板が破裂する圧力も、同様に、ヒートポンプ給湯機の設計圧力での冷媒の飽和温度より高く、保障耐圧力に対応する冷媒の飽和温度より低くする。

可溶栓と破裂板を同時に用いれば、可溶栓が設置された部分の温度が局所的に上昇して、可溶合金が融解しても、冷媒が放出されることを防ぐことができる。すなわち、局所的に温度が上昇した場合は、ヒートポンプ給湯機の冷媒回路内の圧力は設計圧力以上とはなりにくいため、破裂板によって、冷媒回路からの冷媒の放出を防ぐことができる。そのため、可燃性冷媒がヒートポンプ給湯機外に放出されることがなくなり、燃焼事故の発生を防止することができる。

上記の設計圧力とは、ヒートポンプ給湯機に備わる冷媒回路の内容積と充填された冷媒の種類、冷媒の量、冷媒回路運転時の最高圧力などから決まる、製品の耐圧を決める際の規準となる圧力である。また、保障耐圧力とは、製品の耐圧試験を行う際の圧力であり、製品に漏れ、変形、破壊などがないことで、被試験品は耐圧試験に合格となる。

ヒートポンプ給湯機の運転時は、冷媒回路の膨張弁３の出口から圧縮機１の入口までの区間が低圧部となり、圧縮機１の出口から膨張弁３の入口までの区間が高圧部となる。そのため、設計圧力も高圧部に比べ、低圧部の方が低く、設計圧力の低い低圧部より冷媒が漏洩する可能性が高いため、保護装置６を高圧部より低圧部に設置することが好ましい。例えば、運転時には圧縮機１の吸入ラインが確実に低圧部となるため、この部分に保護装置６を設置すれば、冷媒が漏洩する場所を特定することができる。

延焼防止用の覆い７としては、鉄板製の覆いを用いる。さらに、覆い内部に耐火塗料を塗布してもよい。また、覆い７の材料として、難燃性の延焼防止剤を用いても良い。

次に、上記のように構成した本実施の形態の作用を説明する。
ヒートポンプ給湯機の冷媒回路において、圧縮機１により高温、高圧になった加熱ガス冷媒は、凝縮器２も冷媒配管２ａに流入し、給湯タンク（図示せず）の水が凝縮器２の水配管２ｂを通過する際に熱交換されて水が加熱され、給湯タンクに至る。また、水へ熱を伝えた冷媒は、凝縮器２より膨張弁３に至り、ここで膨張弁３により減圧されて空気熱交換器４に流入し、送風機５により送風された外気から吸熱し、蒸発ガス化されて、圧縮機１に戻る。

ヒートポンプ給湯機が外部より何らかの影響を受けたとき、例えば周囲の温度が過度に上昇したときは、冷媒回路内の冷媒圧力が上昇し、冷媒回路を構成する銅管などに亀裂が生じるおそれがある。亀裂が生じた場合は、冷媒回路内の可燃性冷媒は外部に漏洩してしまう。

本実施の形態においては、冷媒回路内の冷媒圧力が上昇して、冷媒回路を構成する銅管などに亀裂が生じるおそれが生じると、すなわち、冷媒回路内の圧力が設計圧力より大きくなると、保護装置６が作動し、冷媒は冷媒回路内で最も放出されやすい保護装置６から放出される。
保護装置６から放出された冷媒が燃焼や爆発した場合でも、保護装置６には延焼防止用の覆い７が設置されているため、冷凍機器全体に引火することを防止することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機の冷媒路構成図である。なお、実施の形態１と同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態２では、保護装置６の近傍に水配管２ｂより給水する消火装置８を備える。

次に、本実施の形態の作用を説明する。
消火装置８の散水口は、可溶金属により止水されている。消火装置８の散水口に取り付けた可溶金属は冷媒の燃焼温度で作動するようにしてある。保護装置６より放出された冷媒が燃焼した場合、保護装置周囲の温度が上昇するため、可溶金属が作動し、消火装置８より水が散水される。これにより、ヒートポンプ給湯機全体に引火する危険性をさらに低減することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ給湯機の冷媒路構成図である。なお、実施の形態１と同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態３においては、保護装置６の近傍に、漏洩した冷媒を検知する検知手段９、保護装置６の周辺に、漏洩した冷媒を拡散する送風機１０が設置されている。

次に本実施の形態の作用を説明する。
検知手段９によって漏洩した冷媒を検知した場合、その検知信号は制御部（図示せず）へ送られる。保護装置６から冷媒が漏洩すると検知手段９がこれを検知し、制御部の指令により、ヒートポンプ給湯機運転時はこの運転を停止させる。次に、保護装置６の周辺に設置された漏洩冷媒拡散用の送風機１０を動作させ、漏洩した冷媒を大気中に拡散し、大気中において可燃性冷媒が燃焼しない濃度にまで低下させる。このとき、ヒートポンプ給湯機に通電中であれば、空気熱交換器用送風機５を作動させ、これによってより短時間で漏洩した冷媒を大気中に拡散することができる。よって、ヒートポンプ給湯機全体に引火する危険性を低減させるだけでなく、漏洩した冷媒が燃焼する危険性も低減することができる。

検知手段９としては、可燃性冷媒である炭化水素ガスに反応するガスセンサを用いる。冷媒が漏洩すると蒸発し、この際の蒸発熱によって保護装置６付近の配管温度が低下するため、配管の温度低下を検知する温度センサを用いてもよい。また、保護装置６に可溶栓を用いる場合は、可溶合金部分に常時通電している構造とし、可溶合金が溶解した場合に、非通電状態となるようにしてもよい。さらに、冷媒が漏洩したとき、冷媒回路内には保護装置６を出口とする冷媒の流れが生じるため、冷媒配管３ａと保護装置６との間に設置してこの流れを検知する流量計を用いても良い。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係るヒートポンプ給湯機の冷媒路構成図である。なお、実施の形態１と同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態４では、保護装置６の近傍に、漏洩した冷媒を検知する検知手段９、保護装置６の周辺に、漏洩した冷媒を拡散する送風機１０、圧縮機１の出口と膨張弁３の入口の近傍に、検知手段９から漏洩した冷媒が検知されたときに作動する第１、第２の流路切替弁１１、１２を設けたものである。

次に、本実施の形態の作用を説明する。
保護装置６から冷媒が漏洩すると検知手段９がこれを検知し、制御部の指令により、漏洩冷媒拡散用の送風機１０を動作させ、漏洩した冷媒を大気中に拡散する。同時に、第１、第２の流路切替弁１１、１２が作動して、圧縮機１の出口から膨張弁３の入口までの流路を閉じて閉回路とする。こうして、可燃性である冷媒は膨張弁３の出口から圧縮機１の入口までに充満していた量のみが大気に放出されるため、燃焼する濃度となる危険性を低減することができる。

膨張弁３の出口から圧縮機１の入口までの低圧部に比べ、圧縮機１の出口から膨張弁３の入口までの高圧部の設計圧力が高いため、冷媒回路内の冷媒圧力の上昇により冷媒が漏洩する場合に、第１、第２の流路切替弁１１、１２を低圧部に設置するよりも本実施の形態４のように高圧部に設置する方が、流路を閉回路とした場合に、再度冷媒が漏洩することはない。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ給湯機の冷媒路構成図である。なお、実施の形態１と同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態５では、保護装置６の近傍に、漏洩した冷媒を検知する検知手段９、保護装置６の周辺に、漏洩した冷媒を拡散する送風機１０、検知手段９と冷媒拡散用の送風機１０とに電力を供給するバッテリーや乾電池などの独立電源１３を備えたもので、ヒートポンプ給湯機に供給する電力とは異なる電源により電力が供給されるようになっている。
この独立電源によって、保護装置６から冷媒が漏洩したとき、その漏洩が検知手段９によって検知され、送風機１０を作動させて漏洩冷媒を拡散するようにしてある。

本実施の形態においては、停電状態や搬送時など、ヒートポンプ給湯機に対して電力が供給されていないとき、検知手段９と送風機１０には、ヒートポンプ給湯機に供給する電力とは異なる独立電源１３により電力が供給されており、保護装置６より冷媒が漏洩したときに、検知手段９によって検知され、送風機１０を作動させて漏洩冷媒を拡散する。
こうして、漏洩した可燃性冷媒に対しての燃焼の発生を常に防止することができ、より安全性の高い製品とすることができる。

なお、本実施の形態１〜５では、冷媒回路をヒートポンプ給湯機に適用した場合について説明したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、可燃性冷媒を用いた冷凍機器、例えば空調機や冷蔵庫に対しても適用することができる。

この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の回路構成図である。 図１の延焼防止用の覆い部分の拡大図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機の回路構成図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートポンプ給湯機の回路構成図である。 この発明の実施の形態４に係るヒートポンプ給湯機の回路構成図である。 この発明の実施の形態５に係るヒートポンプ給湯機の回路構成図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 膨張弁、４ 空気熱交換器、５ 空気熱交換器用送風機、６ 保護装置、７ 延焼防止用の覆い、８ 消火装置、９ 検知手段、１０ 送風機、１１、１２ 第１、第２の流路切替弁、１３ 独立電源

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した冷媒と給湯回路を循環する負荷媒体である水とを熱交換する凝縮器と、前記凝縮器の下流側の冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁により減圧された冷媒を蒸発する空気熱交換器とを環状に接続され、前記冷媒として可燃性の冷媒を用いた冷媒回路を備えたヒートポンプ給湯機であって、
   前記膨張弁の出口と前記圧縮機の入口との間に設けられ、冷媒回路の設計圧力で作動するように設定され、前記冷媒回路内の冷媒圧力が設計圧力以上になると前記冷媒を放出する保護装置と、
   前記保護装置を覆う延焼防止用の覆いと、
   前記冷媒が放出されたことを検知する検知手段と、
   放出された冷媒を拡散する送風機と、
   を備え、
   前記保護装置は、
   前記冷媒回路内の冷媒温度が設計圧力における冷媒の飽和温度より所定温度高くなると溶解する可溶合金で形成された可溶栓であり、
   前記検出手段は、
   常時通電している前記可溶栓の可溶合金が溶解により非通電状態となることを検出することで、前記冷媒が放出されたことを検知することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記圧縮機の出口と前記膨張弁の入口の近傍に、放出された冷媒が検知されたときに作動して前記圧縮機の出口から前記膨張弁の入口までを閉回路とする流路切替弁を配設したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記検知手段と前記冷媒を拡散する送風機とに独立して電力を供給する独立電源を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。

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