JP5939828B2 - ヒートポンプサイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクル装置に関するものである。特に可燃性冷媒に対する安全性の確保に係るものである。

従来、給湯器等のヒートポンプサイクルを利用する機器（ヒートポンプサイクル装置）では、例えば、ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）を利用して、水を加熱し、給湯、空気調和を行うヒートポンプサイクル装置がある。このようなヒートポンプサイクル装置においては、例えば冷媒回路を循環する冷媒と水回路を流れる水との熱交換を水熱交換器において行い、水回路内の水を加熱している。ここで、加熱により、水が膨張する、空気が発生することがあるため、水回路内には水回路に圧力逃がし弁、空気抜き弁を有することが多い（例えば、特許文献１参照）。

一方、冷媒回路における冷媒として、従来、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ冷媒等を利用していた。しかし、これらの冷媒は、大気放出された場合にオゾン層を破壊したり、地球温暖化を招いたりする物質を有している。そこで、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ冷媒等は環境に対する負荷、地球温暖化係数が高い等の理由から、近年、ブタンやプロパンといった自然冷媒（ＨＣ）のようなオゾン層破壊係数および地球温暖化係数が低い冷媒へ切り替えが行われつつある。また、例えばＨＦＣ冷媒であっても、Ｒ３２のような自然冷媒に近い地球温暖化係数の冷媒が望まれる。これはヒートポンプサイクル装置においても同様である。

特開２０１０−２７６２２９号公報（第２図）

しかしながら、自然冷媒、Ｒ３２等のような冷媒は燃焼性があるなどの特性から、従来のヒートポンプサイクル装置と要求される仕様が異なる。このため、使用に際しては注意が必要である。特に冷媒漏洩に対する措置がされていない装置に可燃性冷媒を用いることは、安全上好ましくない。

ここで、例えば、水熱交換器が損傷等して、屋内にある水回路に可燃性の冷媒が漏洩（流入）しても、圧力逃がし弁、空気抜き弁が屋外にあれば、屋外に冷媒を排出することができ、屋内の安全を図ることができる。

しかしながら、従来のヒートポンプサイクル装置では、水回路に備える圧力逃がし弁、空気抜き弁が、屋外等、好ましい場所に設置されたか否かを確認できる手段を有していない。

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、水回路に漏洩した冷媒を、より確実に屋外に排出できるようにすることができるヒートポンプサイクル装置を得ることを目的とする。

本発明のヒートポンプサイクル装置は、可燃性を有する冷媒を圧縮する圧縮機、空気と冷媒の熱交換を行う空気熱交換器、冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器及び水熱交換器を流れる冷媒の圧力調整を行う絞り装置を配管接続して構成する冷媒回路を有する室外機と、水熱交換器において冷媒と熱交換して熱を搬送する循環水を循環させる水回路の一部を有する室内機とを備えるヒートポンプサイクル装置であって、室内機は、供給する水を貯めるタンクと、水回路の一部となり、水熱交換器で加熱された循環水とタンク内の水とを熱交換して、タンク内の水を二次的に加熱する熱交換部とを有し、水回路内の水圧を調整する圧力逃がし弁と水回路内の空気を排出する空気抜き弁とを、水回路の室外機側に設ける。

本発明の室外機は、圧力逃がし弁、空気抜き弁を設置させるようにしたので、例えば水熱交換器にて、万一、隔離が破壊される等して、ヒートポンプサイクル装置の水回路側に冷媒回路から可燃性の冷媒が混入してきた場合でも、水回路を介して屋内側に冷媒を流入させることなく、圧力逃がし弁、空気抜き弁を介して屋外に排出することができる。このため、冷媒が屋内で燃焼してしまうことなく、安全性を高めることができる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプサイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２のヒートポンプサイクル装置の構成を示す図である。

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サイクル装置の構成を示す図である。本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル装置の一例としてヒートポンプ給湯装置１０００について説明する。ここで、以下に説明する温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

ヒートポンプ室外機１００（以下、室外機１００）は屋外に設置されている。室外機１００が有する冷媒回路１１０は、水回路２１０を流れる水を水熱交換器２によって加熱する暖房給湯運転（以下、通常運転という）と、通常運転に対して冷媒の流れが逆になるリバースサイクルとなる除霜運転とを行う。図１において、実線の矢印は通常運転の冷媒循環方向を示し、破線の矢印は除霜運転の冷媒循環方向を示す。また、室内機２００は、室内（屋内）に設置されている。室内機２００に一部が設置されている水回路２１０により、例えば水熱交換器２において加熱された水を循環、室内側に供給する。矢印８３は水回路２１０を循環する水の流れる方向を示す。

（冷媒回路１１０の構成）
本実施の形態の室外機１００は、圧縮機３、四方弁４、水熱交換器２、第１膨張弁６（第１絞り装置）、中圧レシーバ５、第２膨張弁７（第２絞り装置）、空気熱交換器１を配管接続して構成する冷媒回路１１０を有している。また、後述する水回路２１０を構成する機器のうち、前述した水熱交換器２、圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９を有している。

圧縮機３は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。本実施の形態における圧縮機３は、インバータ装置等を備え、駆動周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。四方弁４は、冷媒回路１１０における配管接続関係について、圧縮機３の吸入側と吐出側を入れ替えることができ、通常運転と除霜運転とにおける冷媒の循環方向を切り替える。

水熱交換器２は、水回路２１０を流れる水と冷媒回路１１０を流れる冷媒との熱交換を行う。水熱交換器２は、例えばプレート熱交換器である。水熱交換器２は、通常運転時には放熱器（凝縮器）として水回路２１０を流れる水を加熱する。一方、除霜運転時には水回路２１０の水から吸熱する吸熱器（蒸発器）となり、水を冷却する。ここで、本実施の形態では、水熱交換器２を室外機１００に内蔵させているが、例えば室外にあれば、室外機１００、室内機２００とは独立して設けるようにしてもよい。

第１膨張弁６は、冷媒の流量を調整し、例えば水熱交換器２を流れる冷媒の圧力調整（減圧）を行う。中圧レシーバ５は、冷媒回路１１０において、第１膨張弁６と第２膨張弁７との間に位置し、余剰冷媒を溜めておく。ここで、圧縮機３の吸入側と接続している吸入配管１１が中圧レシーバ５の内部を通過しており、吸入配管１１の貫通部１２を通過する冷媒と中圧レシーバ５内の冷媒との熱交換を行うことができる。このため中圧レシーバ５は内部熱交換器としての機能を有している。

第２膨張弁７は、冷媒の流量を調整し、圧力調整を行う。ここで、本実施の形態の第１膨張弁６、第２膨張弁７は、制御装置１０１からの指示に基づいて、開度を変化させることができる電子膨張弁であるものとする。空気熱交換器１は、例えば冷媒とファン等により送られる屋外の空気（外気）との熱交換を行う。空気熱交換器１は、通常運転時には吸熱器（蒸発器）として機能する。一方、除霜運転時には放熱器（凝縮器）として機能する。

ここで、室外機１００が有する冷媒回路１１０を流れる冷媒として、例えばＨＦＣ（Hydro FluoroCarbon）系の混合冷媒であるＲ４１０ＡあるいはＲ４０７Ｃより地球温暖化係数が低いＨＦＣ系の単一冷媒であるＲ３２（ジフルオロメタン）やハイドロフルオロオレフィン系の冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆやＨＦＯ１２３４ｚｅ、以下、ＨＦＯという）、ＨＣ（Hydro Carbon）系のＲ２９０（プロパン）あるいはＲ１２７０（プロピレン）の単一あるいは混合冷媒を用いることができる。これらの冷媒は、温暖化係数が低い等、環境負荷は低いが、可燃性を有している。

（制御装置１０１）
本実施の形態の制御装置１０１は、制御装置２０１及びリモートコントローラ（以下、リモコンという）３０１と、制御線３１０を介して通信可能とし、冷媒回路１１０の運転制御を行う。制御装置１０１は、例えば温度センサ（図示せず）及び圧力センサ（図示せず）の検出に係る物理量、リモコン３０１を操作することによりヒートポンプ給湯装置１０００の使用者から指示される運転内容、給湯器の制御装置２０１からの運転内容等のデータを含む信号を受信し、圧縮機３の駆動、四方弁４の流路切替、空気熱交換器１のファン送風量、第１膨張弁６の開度、第２膨張弁７の開度等を制御する。

（冷媒回路１１０の動作）
次に、図１に基づいて冷媒回路１１０における運転動作について冷媒回路１１０の冷媒の流れに基づいて説明する。冷媒回路１１０における圧縮機３等のアクチュエータは、制御装置１０１が制御する。

（通常運転時の動作）
通常運転時において、制御装置１０１は、四方弁４が図１の実線で示す流路となるように設定する。このため、通常運転時は、圧縮機３、四方弁４、水熱交換器２、第１膨張弁６、中圧レシーバ５、第２膨張弁７、空気熱交換器１、四方弁４、圧縮機３の順に冷媒が循環する。

（１）圧縮機３が吐出した高温高圧のガス状の冷媒（ガス冷媒）は、四方弁４を経て水熱交換器２に流入する。そして、水熱交換器２に流入したガス冷媒は、凝縮器として機能する水熱交換器２で放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の液状の冷媒（液冷媒）となる。水熱交換器２を通過する冷媒の放熱によって、水熱交換器２を通過する負荷側の水（水回路２１０を流れる水）を加熱する。
（２）水熱交換器２を出た高圧低温の液冷媒は、第１膨張弁６によって若干減圧された後、気液二相状態となり、中圧レシーバ５に流入する。
（３）中圧レシーバ５に流入した冷媒は、中圧レシーバ５内において圧縮機３の吸入配管１１を流れる低温の冷媒に熱を与えることで冷却し、液状の冷媒（液冷媒）となって中圧レシーバ５から流出する。
（４）中圧レシーバ５から流出した液冷媒は、第２膨張弁７で低圧まで減圧されて二相冷媒となる。そして、蒸発器として機能する空気熱交換器１に流入し、空気熱交換器１において空気から吸熱し、蒸発して、ガス化する。
（５）ガス化した冷媒は、空気熱交換器１から四方弁４を経て、吸入配管１１の貫通部１２において、中圧レシーバ５内の冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機３に吸入される。

（除霜運転時の動作）
除霜運転時において、制御装置１０１は、四方弁４が図１の破線で示す流路となるように設定する。この除霜運転における冷媒の流れは前述したようにリバースサイクル（冷房運転）となる。

（１）圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て空気熱交換器１に流入する。このとき、空気熱交換器１に付いた霜と熱交換することで、霜は溶け、冷媒は空気熱交換器１から液冷媒として流出する。第２膨張弁７を経て気液二相となり、中圧レシーバ５を経て液冷媒となり、第１膨張弁６を経て気液二相状態となり、水熱交換器２（蒸発器）に流入する。
（２）水熱交換器２に流入した冷媒は、水熱交換器２において水熱交換器２を通過する水回路２１０を流れる水から吸熱して蒸発してガス冷媒となる。そして、四方弁４、中圧レシーバ５を通り、再び圧縮機３に戻る。この冷媒の循環により、空気熱交換器１が除霜される。

（水回路２１０の構成）
タンク５１、水熱交換器２、ポンプ５３、ブースタヒータ５４、三方弁５５（分岐装置の一例）、ストレーナ５６、フロースイッチ５７、圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９を配管接続して水回路２１０を構成する。ここで、室内機２００は、水回路２１０のうち、室外機１００が有する水熱交換器２、圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９以外の機器を有している。また、ブースタヒータ５４、三方弁５５等の水回路２１０におけるアクチュエータの駆動制御等を行う制御装置２０１を有している。そして、水回路２１０を構成する配管の途中には水回路２１０内の水を排水するための排水口６２を設けている。

タンク５１は、内部に水を溜める装置である。タンク５１には、水回路２１０に接続されたコイル６１を内蔵する。コイル６１は、水回路２１０を循環する水（温水）とタンク５１内部に溜まった水とを熱交換させて、タンク５１内部に溜まった水を加熱する。また、タンク５１は、浸水ヒータ６０を内蔵している。浸水ヒータ６０は、タンク５１内部に溜まった水をさらに加熱するための加熱手段である。

タンク５１内の水は、例えばシャワー等に接続されるサニタリー回路側配管８１ｂに流れる。また、サニタリー回路８１ａにも排水口６３を備える。ここで、タンク５１の内部に溜まった水が外部の空気により冷えるのを防止するため、断熱材（図示せず）でタンク５１を覆っている。断熱材は、例えばフェルト、シンサレート（登録商標）、ＶＩＰ（Vacuum Insulation Panel）等である。

ポンプ５３は、水回路２１０内の水に圧力を与えて水回路２１０内を循環させる装置である。また、ブースタヒータ５４は、室外機１００の加熱能力が足りない場合等に、水回路２１０内の水をさらに加熱する装置である。さらに三方弁５５は、水回路２１０内の水を分岐するための装置である。例えば、三方弁５５は、水回路２１０内の水をタンク５１側へ流すか、外部に設けられたラジエータ、床暖房等の放熱器４００が接続される暖房用回路側配管８２ｂへ流すかを切り替える。ここで、暖房用回路側配管８２ａ、８２ｂは、暖房機との間で水を循環させる配管である。ストレーナ５６は、水回路２１０内のスケール（堆積物）を取り除く装置である。フロースイッチ５７は、水回路２１０内を循環する流量が一定量以上であるか否かを検出するための装置である。

膨張タンク５２は、加熱等に伴う水回路２１０内の水の容積変化により変化する圧力を一定範囲内に制御するための装置である。水回路２１０の圧力が膨張タンク５２の圧力制御範囲を超えて高くなった場合に、圧力逃がし弁５８にて水回路２１０内の水を外部へ放出する。

圧力逃がし弁５８は保護装置である。空気抜き弁５９は、水回路２１０内に発生等した空気を外部へ放出し、ポンプ５３が空回り（エア噛み）することを防止する装置である。圧力逃がし弁５８、空気抜き弁５９は前述したように室外機１００が有しており、このため屋外にある。手動空気抜き弁６４は水回路２１０の空気を抜くための手動弁である。例えば設置工事時の水張り時に水回路２１０内に混入した空気を抜く場合に用いる。基本的には設置時に用いるため、手動空気抜き弁６４については屋内にあってもよい。

（制御装置２０１）
本実施の形態の制御装置２０１は、制御装置１０１及びリモコン３０１と、制御線３１０を介して通信可能とし、水回路２１０の運転制御を行う。

リモコン３０１は、例えば、ヒートポンプ給湯装置１０００に指示の入力等を行うための装置である。また、本実施の形態のリモコン３０１は表示装置３０２を有しており、ヒートポンプ給湯装置１０００の状態等、各種表示を行うことができる。

以上のように、実施の形態１のヒートポンプ給湯装置１０００によれば、屋外にある室外機１００に圧力逃がし弁５８、空気抜き弁５９を設置させるようにしたので、通常、冷媒回路１１０側と水回路２１０側とが隔離されている水熱交換器２にて、万一、隔離が破壊される等して、水回路２１０側に冷媒回路１１０から可燃性の冷媒（Ｒ３２やＨＦＯ、Ｒ２９０、Ｒ１２７０）が混入してきた場合でも、水回路２１０を介して屋内側に冷媒を流入させることなく、圧力逃がし弁５８、空気抜き弁５９を介して屋外に排出することができ、冷媒が屋内で燃焼してしまうことなく、安全性を高めることができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係るヒートポンプサイクル装置の構成を示す図である。本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル装置の一例としてヒートポンプ給湯装置１１００について説明する。図２のヒートポンプ給湯装置１１００において、実施の形態１と同じ機器等については、実施の形態１で説明したことと同様である。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置１１００の室内機２００は、冷媒センサー６５を備えている。冷媒センサー６５は、例えば制御装置１０１と接続している。冷媒センサー６５は、室外機１００内を循環する冷媒と同様の成分を検出することができる検出手段であり、圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９の近傍に設けられている。そして、制御装置１０１は、冷媒センサー６５の検出に係る信号に基づいて、これらの弁より放出された水、ガス等に室外機１００内を循環する冷媒と同様の成分が混入していないかを判断する。ここでは、冷媒センサー６５からの信号に基づく判断を制御装置１０１が行うものとして説明するが、例えば制御装置２０１等が行うようにしてもよい。

また、本実施の形態のリモコン３０１の表示装置３０２は、制御装置１０１の判断に基づいて、例えば冷媒回路１１０からの漏洩が発生しているものとして、異常の旨を表示させる報知手段となる。ここでは、リモコン３０１に設けた表示装置３０２により報知を行うようにしているが、例えば制御装置１０１、２０１が表示装置を有している場合には、これらの装置に異常の旨を表示させるようにしてもよい。

例えば、従来の装置では、屋内側にも設置される水回路２１０への冷媒漏洩を検出する手段を備えていない。しかし、例えば水回路２１０内に可燃性を有する冷媒が漏洩する可能性がある場合には、水回路２１０内への冷媒漏洩をできる限り早く知らせる方が望ましい。そこで、本実施の形態のヒートポンプサイクル装置は、冷媒センサー６５を圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９の近傍に設けるようにし、冷媒センサー６５が冷媒を検出すると、報知を行うようにしたものである。

冷媒センサー６５を圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９の近傍に設けることにより、冷媒回路１１０における冷媒が水回路２１０に漏洩しているかどうかをより早く判断することができる。そして、表示装置３０２により居住者、使用者等へ冷媒漏洩を素早く報知することができる。

室外機１００の制御装置１０１及び室内機２００の制御装置２０１は、冷媒センサー６５からの信号に基づいて、冷媒センサー６５が室外機１００内を循環する冷媒と同様の成分を検出したものと判断すると、冷媒回路１１０、水回路２１０の運転を停止させる。そして、リモコン３０１に信号を送り、表示装置３０２に表示を行わせる。

以上のように、実施の形態２のヒートポンプサイクル装置（ヒートポンプ給湯装置１１００）によれば、通常、冷媒回路１１０と水回路２１０は隔離されている水熱交換器２にて、万一、隔離が破壊されるなどして、水回路２１０側に可燃性を有する冷媒（Ｒ３２やＨＦＯ、Ｒ２９０、Ｒ１２７０）が漏洩しても、冷媒センサー６５によりいち早く検出することができる。また、リモコン３０１が有する表示装置３０２に表示させることにより、居住者（使用者）への異常警報を発することができ、素早く報知することができる。ここで、制御装置１０１、２０１が表示手段を有している場合には、異常の旨を表示させることができる。また、音、光等による異常報知装置を備えるようにしてもよい。

実施の形態３．
上述の各実施の形態では、圧力逃がし弁５８及び空気抜き弁５９の両方を室外機１００（水回路２１０）に設ける例について説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば圧力逃がし弁５８、空気抜き弁５９のどちらか一方を有する室外機１００（水回路２１０）についても適用することができる。

上述の実施の形態では、ヒートポンプ給湯器について説明したが、本発明は、ヒートポンプ給湯器に限定することなくヒートポンプサイクル装置に利用することができる。例えば、ヒートポンプサイクルを利用した空気調和装置、チラーシステム等に利用することができる。

１ 空気熱交換器、２ 水熱交換器、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ 中圧レシーバ、６ 第１膨張弁、７ 第２膨張弁、１０ 熱源側温度センサー、１１ 吸入配管、１２ 貫通部、５１ タンク、５２ 膨張タンク、５３ ポンプ、５４ ブースタヒータ、５５ 三方弁、５６ ストレーナ、５７ フロースイッチ、５８ 圧力逃がし弁、５９ 空気抜き弁、６０ 浸水ヒータ、６１ コイル、６２，６３ 排水口、６４ 手動空気抜き弁、６５ 冷媒センサー、６６ 給湯側温度センサー、８１ａ，８１ｂ サニタリー回路側配管、８２ａ，８２ｂ 暖房用回路側配管、８３ 矢印、１００ ヒートポンプ室外機、１０１，２０１ 制御装置、１１０ 冷媒回路、２００ 室内機、２１０ 水回路、３０１ リモコン、３０２ 表示装置、３１０ 制御線、４００ 放熱器、１０００，１１００ ヒートポンプ給湯装置。

Claims (3)

1. 可燃性を有する冷媒を圧縮する圧縮機、空気と前記冷媒の熱交換を行う空気熱交換器、前記冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器及び前記水熱交換器を流れる前記冷媒の圧力調整を行う絞り装置を配管接続して構成する冷媒回路を有する室外機と、
   前記水熱交換器において前記冷媒と熱交換して熱を搬送する循環水を循環させる水回路の一部を有する室内機と
   を備えるヒートポンプサイクル装置であって、
   前記室内機は、
   供給する水を貯めるタンクと、
   前記水回路の一部となり、前記水熱交換器で加熱された前記循環水と前記タンク内の水とを熱交換して、前記タンク内の水を二次的に加熱する熱交換部と
   を有し、
   前記水回路内の水圧を調整する圧力逃がし弁と前記水回路内の空気を排出する空気抜き弁とを、前記水回路の前記室外機側に設けることを特徴とするヒートポンプサイクル装置。
2. 前記圧力逃がし弁及び前記空気抜き弁の近傍において、前記冷媒を検出するための冷媒検出手段と、
   該冷媒検出手段が前記冷媒を検出したものと判断すると、前記冷媒回路及び前記水回路における運転を禁止する制御を行う制御装置と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプサイクル装置。
3. 報知手段をさらに備え、
   前記制御装置は、運転を禁止しているときには、前記報知手段に運転禁止の旨を報知させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプサイクル装置。

Images