JP2014214910A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流路内に混入した空気により、可燃性混合気が増大することを、高効率に抑制することを実現するヒートポンプ装置を提供することを目的としている。【解決手段】冷媒流路のうちの高圧流路に設けられ、空気と冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものとが混合した可燃性混合気を、冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものの自己発火温度より低い温度で燃焼させる触媒燃焼装置を有しているものである。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関するものである。

ヒートポンプ装置には、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を有し、これらを冷媒配管で接続したものが存在する。このようなヒートポンプ装置は、圧縮機に搭載されている電動機を駆動すると、圧縮機で冷媒が圧縮された後に吐出され、凝縮器で凝縮し、膨張機構で減圧され、蒸発器で蒸発し、再び圧縮機に吸入される。

このように、圧縮機の運転中において、ヒートポンプ装置内の圧力は、圧縮機の吐出口から膨張機構の入口までの圧力は大気圧より高い正圧になり、膨張機構の出口から圧縮機の吸入口までの圧力は大気圧より低い負圧となる。
したがって、ヒートポンプ装置の膨張機構の出口から圧縮機の吸入口までの冷媒の流路となる冷媒配管に腐食、溶接不良などによって穴が空いた場合、ヒートポンプ装置の冷凍サイクルを構成する冷媒回路内に空気が混入する場合がある。
また、たとえば配管同士の接続位置が、予め設定されている位置からずれてしまうといったように、ヒートポンプ装置の組み立て、設置及び撤去などの作業といったような人為的な原因によっても、ヒートポンプ装置の冷凍サイクルを構成する冷媒回路内に空気が混入する場合がある。

このように、ヒートポンプ装置の冷媒回路内に混入した空気は、ヒートポンプ装置の冷媒と混合し、可燃性混合気を形成する。または、ヒートポンプ装置の冷媒回路内に混入した空気は、蒸気、ミストなどになっている潤滑油と混合し、可燃性混合気を形成する。
ここで、冷媒として、たとえばイソブタン、プロパン、Ｒ３２などといった可燃性の冷媒が採用されていたり、潤滑油として可燃性のものが採用されている場合には、可燃性混合気に着火又は発火し、ヒートポンプ装置全体に火災伝播する可能性がある。
すなわち、冷媒及び圧縮機内に貯留された潤滑油のうちの少なくとも一方に可燃性のものが採用されている場合には、圧縮機の運転動作により、冷媒、潤滑油が高圧高温となって、可燃性混合気に着火又は発火し、ヒートポンプ装置全体に火炎伝播したり、ヒートポンプ装置が破損したりする可能性がある。

そこで、従来のヒートポンプ装置には、このような不具合を抑制するため、圧縮機と凝縮器と膨張機構と蒸発器を有する冷凍サイクルにおいて、還元鉄あるいは活性炭からなる酸素吸着剤と、酸素吸着剤を収納するケースと、冷凍サイクル内の酸素を透過し酸素吸着剤と冷凍サイクルを仕切る透過板を設けたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のヒートポンプ装置は、酸素吸着剤を収納するケースを冷媒回路に設けることで、冷媒と共に冷媒回路内を循環する空気に含まれる酸素を、吸着除去するように構成したものである。

特開２０００−３２０９１１号公報（たとえば、要約、図１参照）

特許文献１に記載の技術は、収納される酸素吸着剤による吸着速度以上、あるいは吸着容量以上の酸素が、冷媒回路内に混入すると、可燃性混合気が増大することを抑制できなくなる。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、酸素吸着剤を用いているものであり、高効率に可燃性混合気の酸素を冷媒回路から除去することができないものであった。このため、冷媒回路内に除去できなくなった空気が増大し、冷媒、潤滑油が発火してヒートポンプ装置が破損などしてしまう可能性があった。

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あり、冷媒流路内に混入した空気により、可燃性混合気が増大することを、高効率に抑制することを実現するヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷媒流路を有し、冷媒流路を流れる冷媒及び潤滑油のうちの少なくとも一方が可燃性を有するヒートポンプ装置において、冷媒流路のうちの高圧流路に設けられ、空気と冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものとが混合した可燃性混合気を、冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものの自己発火温度より低い温度で燃焼させる触媒燃焼装置を有しているものである。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、上記構成を有しているため、冷媒流路内に混入した空気により、可燃性混合気が増大することを、高効率に抑制することができるので、可燃性混合気が自己発火温度で発火し、ヒートポンプ装置が破損などしてしまうことを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の圧縮機を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の触媒燃焼装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の自己発火温度と触媒燃焼開始温度との関係を示した説明図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の燃焼前圧力と燃焼後圧力の関係を示した説明図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置の圧縮機を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４に係るヒートポンプ装置の構成図である。 本発明の実施の形態５に係るヒートポンプ装置の触媒燃焼装置の一例を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の構成図である。図２は、ヒートポンプ装置１００の圧縮機１を示す縦断面図である。図３は、ヒートポンプ装置１００の触媒燃焼装置８の一例を示す構成図である。なお、図２では、圧縮機１とともに、吐出冷媒配管９Ａ、アキュムレータ７及び吸入管７Ａも図示している。図１〜図３を参照してヒートポンプ装置１００の構成について説明する。
本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、冷媒流路（冷媒回路）内に混入した空気により、可燃性混合気が増大することを、高効率に抑制することで、可燃性混合気が自己発火温度（自己着火温度）で発火（着火）し、ヒートポンプ装置１００が破損などしてしまうことを抑制する改良が加えられたものである。

［構成説明］
ヒートポンプ装置１００は、空気調和装置、冷蔵庫及び冷蔵庫などの冷凍装置、給湯機などに利用されるものである。本実施の形態１では、ヒートポンプ装置１００が空気調和装置に利用されている場合を例に説明する。
ヒートポンプ装置１００は、熱源側である室外機１００Ａと利用側である室内機１００Ｂとを有している。そして、ヒートポンプ装置１００は、「冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１と、凝縮器又は蒸発器として機能する第１熱交換器２」と、「冷媒を減圧させる膨張弁３」と、「蒸発器又は凝縮器として機能する第２熱交換器４」と、「冷媒の流路を切り替える四方弁５」と、「圧縮機１から吐出された冷媒の脈動を低減させるマフラー６」と、「余剰冷媒を貯留することができるアキュムレータ７」とを有している。
また、ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１、第１熱交換器２、膨張弁３、第２熱交換器４、四方弁５、マフラー６及びアキュムレータ７などを接続する冷媒配管９を有している。また、冷媒配管９のうち、圧縮機１と第１熱交換器２とを接続するものを吐出冷媒配管９Ａと称し、冷媒配管９のうち、アキュムレータ７と圧縮機１とを接続するものを吸入管７Ａと称する。

なお、本実施の形態１では、図１に示すように、室外機１００Ａに圧縮機１、アキュムレータ７、第１熱交換器２、四方弁５及びマフラー６が搭載され、室内機１００Ｂに第２熱交換器４が搭載されている場合を例に説明する。
また、ヒートポンプ装置１００の冷媒流路を循環する冷媒には、可燃性の冷媒（たとえば、イソブタン、プロパン、Ｒ３２など）が採用されるとともに、潤滑油も可燃性の潤滑油が採用されている場合を例に説明する。
ここで、冷媒流路とは、圧縮機１、第１熱交換器２、膨張弁３、第２熱交換器４、四方弁５、マフラー６、アキュムレータ７及び冷媒配管９によって構成される流路である。

［圧縮機１］
圧縮機１は、「底部に潤滑油が貯留され、冷媒を圧縮する機構などが搭載される密閉容器１１」と、「密閉容器１１に収容され、圧縮要素１５を駆動する電動要素１３」と、「密閉容器１１に収納され、冷媒を圧縮する圧縮要素１５」と、「電動要素１３と圧縮要素１５とを接続する回転軸１４」と、「密閉容器１１内であって上下位置が電動要素１３と圧縮要素１５の間に設けられている触媒燃焼装置８」とを備えている。

（密閉容器１１）
密閉容器１１は、圧縮機１の外郭を構成するものである。密閉容器１１内には、密閉容器１１の内壁と当接して圧縮要素１５が固定され、この圧縮要素１５の上側に密閉容器１１の内壁と当接して電動要素１３が固定されている。
密閉容器１１には、開口部である吐出口１１ａ及び吸入口１１ｂが形成されている。そして、密閉容器１１の吐出口１１ａの形成位置に、圧縮要素１５で圧縮された冷媒を密閉容器１１内から吐出する吐出冷媒配管９Ａが接続され、密閉容器１１の吸入口１１ｂの形成位置に、密閉容器１１内に冷媒を供給する吸入管７Ａが接続されている。
密閉容器１１の底部には、潤滑油溜１２が形成され、圧縮要素１５における摺動摩擦を軽減することができる潤滑油が貯留される。なお、潤滑油溜１２に貯留された潤滑油は、冷媒と共に圧縮要素１５内に吸入され、圧縮要素１５の摺動部などに供給される。

（電動要素１３）
電動要素１３は、回転軸１４が固定され自身の回転を回転軸１４に伝達する回転子１７と、積層鉄心に複数相の巻線２１を装着して構成される固定子１６とを有している。
そして、電動要素１３は、回転子１７が回転軸１４に接続されており、回転軸１４を介して圧縮要素１５を駆動することができるようになっている。つまり、図示省略の電源から固定子１６に電力が供給されることによって、回転子１７が回転し、この駆動力を回転軸１４を介して圧縮要素１５に伝達することができるものである。これにより、圧縮要素１５が駆動して冷媒を圧縮することができる。
回転子１７は、回転子１７の内周に回転軸１４が接続されているものである。また、回転子１７は、回転子１７の外周面と、固定子１６の内側面との間に予め設定された対向間隔が形成された状態で、回転軸１４に支持されている。
固定子１６は、回転子１７を回転させるものであり、たとえば、複数の油戻し孔１８が形成された鉄心１９、及び複数相の巻線２１などを有するものである。固定子１６は、その外周面が密閉容器１１の壁部（内周面）に固定されて設けられている。
なお、固定子１６と回転子１７との間には、予め設定された間隔が形成されている。このため、カップマフラー３１から放出された高温・高圧の冷媒は、この間隔などを介して密閉容器１１内の吐出冷媒配管９Ａが接続されている側の空間に供給される。

（圧縮要素１５）
圧縮要素１５は、密閉容器１１内に吸入された冷媒を圧縮するものであり、種々の機構（たとえば、ロータリー式、スクロール式、ベーン式など）のものを採用することができる。本実施の形態１では、圧縮要素１５が、ロータリー式である場合を例に説明する。
圧縮要素１５は、「後述のローラ２６が設置されるシリンダ２４」と、「回転軸１４に接続され、シリンダ２４内に回転自在に設けられているローラ２６」と、「このローラ２６に接してシリンダ２４内を分けるベーン２７」と、「シリンダ２４の開口を閉塞すると共に回転軸１４を回転自在に支持する上軸受部２８及び下軸受部２９」と、「上軸受部２８に取り付けられるカップマフラー３１」とを有している。

シリンダ２４は、上下にそれぞれ開口部が形成されており、上軸受部２８及び下軸受部２９によって閉塞されている。すなわち、シリンダ２４の上側には、回転軸１４を回転自在に支持する上軸受部２８が設けられており、シリンダ２４の上側の端面（電動要素１３側の端面）を閉塞している。また、シリンダ２４の下側には、回転軸１４を回転自在に支持する下軸受部２９が設けられており、シリンダ２４の下側の端面（潤滑油溜１２側の端面）を閉塞している。

ローラ２６は、回転軸１４に接続され、回転軸１４の回転とともに自身も回転し、シリンダ２４内に供給された冷媒を圧縮することができるものである。
ベーン２７は、ローラ２６に接してシリンダ２４内を分けるものであり、シリンダ２４に形成される図示省略の溝内を往復運動し、先端がローラ２６と接しているものである。
そして、シリンダ２４、ローラ２６及びベーン２７などにより、冷媒が圧縮される空間である圧縮室が形成される。この圧縮室は、ローラ２６及びベーン２７の回転に伴って小さくなっていき、圧縮室に供給された冷媒が圧縮されるようになっている。

上軸受部２８には、圧縮要素１５の吐出口１５ａが形成されている。この吐出口１５ａには、シリンダ２４内が予め設定された圧力以上となった際に吐出口１５ａを開く吐出弁３０が、設けられている。
カップマフラー３１は、吐出口１５ａを覆うように吐出口１５ａの上方に設けられているものである。つまり、圧縮要素１５で圧縮されて吐出口１５ａから吐出された冷媒は、カップマフラー３１内の空間に一旦吐出された後に、カップマフラー３１の吐出口３４から密閉容器１１内に吐出され、密閉容器１１の吐出口１１ａに接続される吐出冷媒配管９Ａを介して圧縮機１の外部に吐出される。

（回転軸１４）
回転軸１４は、上端側が電動要素１３の回転子１７に接続され、下端側が圧縮要素１５の上軸受部２８及び下軸受部２９に回転自在に支持されているものである。そして、回転軸１４は、鉛直方向に平行な軸を中心として回転し、圧縮要素１５のローラ２６を回転させることができるものである。なお、回転軸１４は、ローラ２６を偏心運動させる偏心部２５を有しており、この偏心部２５とローラ２６とが接続されている。

（触媒燃焼装置８）
触媒燃焼装置８は、「セラミック及び触媒金属を有し、たとえば棒状のＬ型金属線で構成される触媒部４１」と、「触媒部４１の一方の端部側に接続され、触媒部４１を圧縮機１の密閉容器１１の内壁に固定する接続部４２」とを有するものである。
触媒燃焼装置８は、冷媒流路のうちの高圧流路に設けられているものである。ここで、「高圧流路」とは、暖房運転時において、圧縮機１の密閉容器１１内の圧縮要素１５の吐出口１５ａよりも下流側であって、第２熱交換器４の入口よりも上流側に対応する流路である。また、冷房運転時において、圧縮機１の密閉容器１１内の圧縮要素１５の吐出口１５ａよりも下流側であって、第１熱交換器２の入口よりも上流側に対応する流路である。
本実施の形態１では、触媒燃焼装置８が、圧縮機１の密閉容器１１の内壁のうち、圧縮要素１５の固定位置よりも上側であって電動要素１３の固定位置の下側に設けられている。

触媒部４１は、可燃性混合気が自身の表面に流れてくると、可燃性混合気との間で酸化反応を生じ、その結果自身が高温となって発火源（着火源）となるものである。そして、触媒部４１は、冷媒の自己発火温度、潤滑油の自己発火温度に達する以前の低い圧力、温度で可燃性混合気を燃焼させることができるものである。
触媒部４１は、鉛直方向に平行に設けられている鉛直部４１Ａと、水平方向に平行に設けられ、一方が鉛直部４１Ａの下端側に接続され、他方が接続部４２に接続される水平部４１Ｂとを有しているものである。
このように、触媒部４１は、その形状が棒状のＬ型であるものとして説明するが、それに限定されるものではなく、適宜形状を変更してもよい。また、鉛直部４１Ａは、鉛直方向からずれていてもよいし、水平部４１Ｂも水平方向からずれていてもよい。

触媒部４１は、金属線の表面にセラミックをコーティングし、そのセラミックに触媒金属の微粒子を塗布したものである。白金などの触媒金属を微粒子にしてアルミナなどのセラミックに塗布することで、触媒金属の表面積を増加させながら、触媒金属の使用量を低減することができる。これにより、触媒部４１と可燃性混合気とを効率的に反応させながら、ヒートポンプ装置１００の製造コストを抑制することができる。
セラミックとしては、アルミナ以外ではジルコニア、チタニア、シリカ、コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などを使用するとよい。
セラミックの表面積の大きさを示す比表面積は大きいほど好ましく、たとえば１００ｍ²／ｇ以上のセラミックを用いるとよい。すなわち、セラミックについても、表面積が大きい方が、より多くの触媒金属を塗布することができ、触媒部４１と可燃性混合気とを効率的に反応させることができる。
また、触媒金属としては白金以外にもパラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属、或いは銅、マンガンなどを使用してもよい。触媒金属としては、超微粒子にした金を使用してもよい。

接続部４２は、触媒部４１の一方の端部側に接続され、触媒部４１を圧縮機１の密閉容器１１の内壁に固定するものである。なお、接続部４２は、溶接などによって密閉容器１１に固定されるものであってもよいし、接続部４２と密閉容器１１とにたとえば爪部などで嵌合するような機構を備えてもよい。

［第１熱交換器２］
第１熱交換器２は、一方が四方弁５に接続され、他方が第２熱交換器４に接続され、第１熱交換器２に供給される冷媒と、空気との間で熱交換を行わせるものである。ヒートポンプ装置１００が暖房運転を実施しているときには、第１熱交換器２が蒸発器として機能し、ヒートポンプ装置１００が冷房運転を実施しているときには、凝縮器（放熱器）として機能する。
第１熱交換器２は、たとえば、複数並行に設けられたフィンと、このフィンに接続されるチューブとを有するプレートフィンアンドチューブ型熱交換器で構成するとよい。また、第１熱交換器２には、図示を省略しているが、第１熱交換器２に供給される冷媒と空気との熱交換を促進するのに利用される送風ファンなどが付設される。

［膨張弁３］
膨張弁３は、冷媒を減圧、膨張させるものであり、一方が第１熱交換器２に接続され、他方が第２熱交換器４に接続されているものである。なお、膨張弁３は、たとえば開度が可変である電子膨張弁、キャピラリーチューブなどで構成するとよい。

［第２熱交換器４］
第２熱交換器４は、一方が四方弁５に接続され、他方が膨張弁３に接続され、第２熱交換器４に供給される冷媒と、空気との間で熱交換を行わせるものである。ヒートポンプ装置１００が暖房運転を実施しているときには、第２熱交換器４が凝縮器として機能し、ヒートポンプ装置１００が冷房運転を実施しているときには、蒸発器として機能する。
第２熱交換器４も、第１熱交換器２と同様に、たとえば、複数並行に設けられたフィンと、このフィンに接続されるチューブとを有するプレートフィンアンドチューブ型熱交換器で構成するとよい。また、第２熱交換器４には、図示を省略しているが、第１熱交換器２に供給される冷媒と空気との熱交換を促進し、空調対象空間（たとえば、室内、ビル、倉庫など）に空気を供給するのに利用される送風ファンなどが付設される。

［四方弁５］
四方弁５は、圧縮機１から吐出された冷媒の流路を、第１熱交換器２に冷媒が流入する流路、あるいは、第２熱交換器４に冷媒が流入する流路に切り替えるものである。たとえば、ヒートポンプ装置１００が暖房運転を実施する場合には、四方弁５が、圧縮機１から吐出された冷媒を第２熱交換器４に供給するように切り替えられる。

［マフラー６］
マフラー６は、吐出冷媒配管９Ａに設けられており、圧縮機１から吐出された冷媒の脈動を低減させるものである。マフラー６は、冷媒流れ方向の上流側が圧縮機１の吐出側に接続されており、冷媒流れ方向の下流側が四方弁５に接続されている。

［アキュムレータ７］
アキュムレータ７は、四方弁５と圧縮機１との間の冷媒配管９に接続されており、第２熱交換器４から流出した冷媒を液状冷媒と蒸気状冷媒とに分離し、圧縮機１に液状冷媒が吸入されることを抑制するものである。

［動作説明］
このように構成されたヒートポンプ装置１００の冷房運転時の動作について説明する。
圧縮機１で圧縮された冷媒は、吐出冷媒配管９Ａへ吐出され、マフラー６を経てから第１熱交換器２へ流入する。そして、この冷媒は、第１熱交換器２で凝縮し、膨張弁３で減圧され、第２熱交換器４で蒸発する。蒸発した冷媒は、アキュムレータ７を通って圧縮機１に戻り、ヒートポンプ装置１００の冷媒流路内を循環する。このような動作によって、第２熱交換器４で生成される冷熱を、たとえば空調対象空間の冷房に利用することができる。

圧縮機１の運転中、ヒートポンプ装置１００の冷媒流路内の圧力は、圧縮機１から膨張弁３の入口までの圧力は大気圧より高い正圧になり、膨張弁３の出口から圧縮機１の吸入口１１ｂまでの圧力は大気圧より低い負圧となる。
したがって、膨張弁３の出口から圧縮機１の吸入口１１ｂまでの冷媒の流路となる冷媒配管９には、腐食、溶接不良などによって穴が空いてしまった場合には、ヒートポンプ装置１００の冷媒流路内に空気が混入してしまう。
また、たとえば冷媒配管９と第２熱交換器４との接続位置が、予め設定されている位置からずれていたといったように、ヒートポンプ装置１００の組み立て、設置及び撤去などの作業といったような人為的な原因によっても、ヒートポンプ装置１００の冷媒流路内に空気が混入する場合がある。
このため、可燃性の冷媒及び可燃性の潤滑油を採用しているヒートポンプ装置１００においては、ヒートポンプ装置１００内に混入した空気が、可燃性の冷媒と混合して可燃性の混合気を形成したり、可燃性の潤滑油の蒸気、ミストなどと混合して可燃性の混合気を形成したりする。

ここで、イソブタンの可燃範囲は、大気圧状態で１．８ｖｏｌ％〜８．４ｖｏｌ％であり、プロパンの可燃範囲は、大気圧状態で２．１ｖｏｌ％〜９．５ｖｏｌ％であり、Ｒ３２の可燃範囲は大気圧状態で１３．３ｖｏｌ％〜２９．３ｖｏｌ％である。
また、ヒートポンプ装置１００で使用される潤滑油も、蒸気、ミストの状態になるため、可燃性の冷媒が無くても、潤滑油の蒸気、ミストが空気と混合されると可燃性の混合気を形成する。

このように形成された可燃性の混合気が、圧縮機１の運転により、圧縮機１内の冷媒の圧力と温度が上昇し、冷媒の自己発火温度、潤滑油の自己発火温度以上に達すると、圧縮機１内の可燃性の混合気が発火する。
可燃性冷媒イソブタンの自己発火温度は、大気圧状態では４３２〜４７０℃、プロパンでは４３０〜４６０℃、Ｒ３２では６４８℃である。このように、一般に、冷媒の圧力が高くなると、その分、冷媒の自己発火温度は低くなる。
潤滑油の自己発火温度は、一般的に公表されていない。ここで、ある潤滑油において自己発火温度について調べたところ、潤滑油のミストが約４００℃で自己発火した。潤滑油の種類によって自己発火温度は異なるが、潤滑油は、冷媒よりも低い温度で自己発火する場合があることがわかる。
たとえば、ヒートポンプ装置１００にこの調べた潤滑油と、イソブタンを有する可燃性冷媒とが採用されている場合には、自己発火温度が低い方の潤滑油が先に自己発火することになる。

［触媒部４１の酸化反応について］
図４は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の自己発火温度と触媒燃焼開始温度との関係を示した説明図である。
この自己発火温度に対して、触媒燃焼装置８に白金を使用した場合の触媒燃焼開始温度は、イソブタンで２００℃程度、プロパンでも２００℃程度と、自己発火温度に比較して低い温度である。図４は、この関係を図示した特性図である。
触媒燃焼装置８の触媒部４１は、触媒燃焼開始温度に達すると、触媒表面において可燃性混合気と酸化反応を生じる。この酸化反応の反応熱で触媒燃焼装置８の温度が上昇し、更に酸化反応率が上がり、混合気温度に比較して触媒燃焼装置８のみが高温になる。
高温になった触媒燃焼装置８は、自身が発火源となり、冷媒の自己発火温度、潤滑油の自己発火温度に達する以前の低い温度で可燃性混合気を燃焼させることができる。
また、触媒燃焼装置８は、冷媒の自己発火温度、潤滑油の自己発火温度に達する以前の低い圧力、温度で可燃性混合気を燃焼させることができ、燃焼後の圧力上昇を低く抑えることができる効果をも有している。これについて、次の図５で説明する。

［燃焼前後の圧縮機１の圧力について］
図５は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の燃焼前圧力と燃焼後圧力の関係を示した説明図である。
可燃性混合気が自己発火を起こす条件は、触媒発火（触媒着火）よりも高圧高温の条件で発火が生じるため、発火後の圧力も高くなり、圧縮機１の耐圧を上回り、圧縮機１が破損する場合もある。
しかし、ヒートポンプ装置１００は、触媒燃焼装置８を有し、触媒燃焼を利用した発火方法が採用されており、冷媒の自己発火、潤滑油の自己発火と比較すると低い圧力、温度で発火するため、燃焼後の圧力を低く抑えることができ、圧縮機１が破損の抑制をすることができる。

このように、触媒燃焼装置８は、空気と冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものとが混合した可燃性混合気を、冷媒及び潤滑油のうち可燃性を有するものの自己発火温度より低い温度で触媒燃焼させるものである。このため、ヒートポンプ装置１００内の可燃性混合気の増大を抑制するとともに、自己発火温度で可燃性混合気が燃焼してしまうことを防ぐことができる。これにより、燃焼後の圧力上昇を抑え、ヒートポンプ装置１００が燃焼による圧力で破損してしまうことも抑制することができる。
なお、触媒燃焼装置８は、本実施の形態１のように、冷媒及び潤滑油の両方ともに可燃性を有する場合には、冷媒の自己発火温度と潤滑油の自己発火温度のうちの低い方を用いるものとする。すなわち、触媒燃焼装置８は、低い方の自己発火温度よりも低い温度で触媒燃焼させるということである。

［本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の有する効果］
本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、冷媒流路内に混入した空気と、冷媒及び潤滑油のうちの少なくとも一方とを有する可燃性混合気と、酸化反応を実施する触媒部４１を有する触媒燃焼装置８とを有しており、可燃性混合気が増大することを高効率に抑制することができる。
すなわち、本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、可燃性混合気を、触媒燃焼を利用して発火させて除去してしまうので、酸素吸着剤などを用いる方法よりもより高効率に、可燃性混合気が増大することを抑制することができ、この可燃性混合気が燃焼し、火災が吐出冷媒配管９Ａなどからヒートポンプ装置１００全体に伝播することを抑制することができる。

本実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００は、冷媒の自己発火温度、潤滑油の自己発火温度に達する以前の低い圧力、温度で可燃性混合気を燃焼させることができ、燃焼後の圧力上昇を低く抑えることができる。これにより、圧縮機１ひいてはヒートポンプ装置１００が破損してしまうことを抑制することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係るヒートポンプ装置の圧縮機１を示す縦断面図である。なお、実施の形態２では、実施の形態１に対する相違点を中心に説明するものとする。
触媒燃焼装置の設置位置及び構成は、実施の形態１で示した触媒燃焼装置８に限定されるものではない。密閉容器１１内に触媒燃焼装置を設けるにあたって、圧縮機１内の冷媒流路のうち、圧縮要素１５の吐出口１５ａよりも下流側であって密閉容器１１の吐出口１１ａよりも上流側であればよい。

本実施の形態２に係るヒートポンプ装置の圧縮機１は、触媒燃焼装置８に代えて触媒燃焼装置１０を設けた点のみが実施の形態１で示した圧縮機１と異なっており、その他の構成は実施の形態１で示した圧縮機１と同様である。
この触媒燃焼装置１０は、圧縮機１の密閉容器１１の内壁のうち、電動要素１３の固定位置の上側に設けられている。すなわち、触媒燃焼装置１０は、圧縮機１内の冷媒流路のうち、電動要素１３の部分よりも下流側であって吐出口１１ａの部分よりも上流側に設けられている。

［本実施の形態２に係るヒートポンプ装置の有する効果］
本実施の形態２に係るヒートポンプ装置は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の有する効果と同様の効果を有する。

実施の形態３．
実施の形態１では、触媒燃焼装置８が、圧縮機１の密閉容器１１の内壁のうち、圧縮要素１５の固定位置よりも上側であって電動要素１３の固定位置の下側に設けられている態様のヒートポンプ装置１００について説明した。
また、実施の形態２では、触媒燃焼装置１０が、圧縮機１の密閉容器１１の内壁のうち、電動要素１３の固定位置の上側に設けられている態様のヒートポンプ装置について説明した。
これら触媒燃焼装置８及び触媒燃焼装置１０は、別々に設けられる必要は必ずしもなく、触媒燃焼装置８及び触媒燃焼装置１０の双方を圧縮機１に設置してもよい。

［本実施の形態３に係るヒートポンプ装置の有する効果］
触媒燃焼装置８及び触媒燃焼装置１０の双方を圧縮機１に設置しても、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００及び実施の形態２に係るヒートポンプ装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１０１の構成図である。なお、実施の形態４では、実施の形態１〜３に対する相違点を中心に説明するものとする。
実施の形態１〜３に係るヒートポンプ装置１００では、密閉容器１１内に触媒燃焼装置８及び触媒燃焼装置１０の少なくとも１つが収容されている態様であった。
本実施の形態４に係るヒートポンプ装置１０１は、圧縮機１の吐出口１１ａと、マフラー６とを接続する吐出冷媒配管９Ａに、触媒燃焼装置５０が設けられている。

なお、触媒燃焼装置５０の位置は、それに限定されるものではなく、圧縮機１と凝縮器とを接続する冷媒配管９に設けられているとよい。
たとえば、ヒートポンプ装置１００が冷房運転を実施している場合を例に説明すると、「冷媒配管９のうち、マフラー６と四方弁５とを接続する冷媒配管９Ｂ」、「冷媒配管９のうち、四方弁５と凝縮器として機能する第１熱交換器２の入口２ａとを接続する冷媒配管９Ｃ」に設けられていてもよいということである。
このように、触媒燃焼装置５０の密閉容器１１外に設けられていても、可燃性混合気の自己発火温度に達する以前の低い圧力と温度で混合気の燃焼が生じ、燃焼後の圧力上昇を低く抑える効果を得ることができる。

なお、ヒートポンプ装置１０１は、圧縮機１の外部に触媒燃焼装置５０が設けられているが、動作は実施の形態１〜３のヒートポンプ装置１００と同様である。

［本実施の形態４に係るヒートポンプ装置１０１の有する効果］
本実施の形態４に係るヒートポンプ装置１０１は、実施の形態１〜３に係るヒートポンプ装置１００と同様の効果を有する。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係るヒートポンプ装置の触媒燃焼装置５１の一例を示す構成図である。なお、実施の形態５では、実施の形態１〜４に対する相違点を中心に説明するものとする。
可燃性混合気が触媒部４１の触媒表面で酸化反応を生じ、その反応熱で触媒燃焼装置５１の温度が上昇するのであるが、圧縮機１の圧縮要素１５及び電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着すると次のような欠点がある。
すなわち、圧縮機１の圧縮要素１５及び電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着すると、触媒燃焼装置５１の温度上昇が抑制される。これにより、可燃性混合気を触媒燃焼させる効率が低減してしまう可能性がある。
また、圧縮機１の圧縮要素１５及び電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着すると、触媒部４１の微粒子表面を覆ってしまい、酸化反応が妨げられて触媒燃焼装置５１の温度上昇が抑制され、同様に、可燃性混合気を触媒燃焼させる効率が低減してしまう可能性がある。

そこで、実施の形態５に係るヒートポンプ装置は、圧縮機１の圧縮要素１５及び電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着することを抑制する防油板４３が設けられた触媒燃焼装置５１を有するものである。なお、本実施の形態５では、触媒燃焼装置５１が圧縮機１の密閉容器１１内に設けられている。

この防油板４３は、鉛直部４１Ａの径の中心から、鉛直部４１Ａの径方向に放射状に拡がる線に対して交わるように設置されている。より詳細には、この放射状に拡がる線は、一部が、圧縮機１の密閉容器１１と交わり、残りが防油板４３に交わる。
このように、触媒燃焼装置５１は、触媒部４１の周囲の一部が防油板４３によって覆れるとともに、触媒部４１の上下位置に、密閉容器１１内の連通する開口部４４が形成されている。なお、この開口部４４は、防油板４３と密閉容器１１とによって形成されるものである。
この防油板４３によって、圧縮機１の圧縮要素１５及び電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着することを抑制するとともに、圧縮機１の内部に浮遊する可燃性混合気が開口部４４を介して触媒部４１に供給されるようになっている。

［本実施の形態５に係るヒートポンプ装置の有する効果］
本実施の形態５に係るヒートポンプ装置は、実施の形態１〜３に係るヒートポンプ装置１００と同様の効果を有することに加えて、次の効果を有する。
すなわち、本実施の形態５に係るヒートポンプ装置は、防油板４３が設けられた触媒燃焼装置５１を有しているので、触媒部４１の温度上昇が妨げられることを抑制し、可燃性混合気を触媒燃焼させる効率が低減してしまうことを抑制することができる。

なお、防油板４３は、図８に示した構成に限定されるものではない。たとえば、防油板４３の上下どちらかを閉塞して形成してもよい。このように防油板４３を構成しても、図８に示した触媒燃焼装置５１と同様の効果を得ることができる。
たとえば、実施の形態２の態様の場合には、防油板４３を、鉛直部４１Ａの径の中心から、鉛直部４１Ａの径方向に放射状に拡がる線に対して交わるように設けるとともに、鉛直部４１Ａの下側を覆うように設け、鉛直部４１Ａの上側に開口部４４を形成して開放するとよい。これにより、特に、電動要素１３から飛び散ってくる潤滑油が触媒部４１に付着することを抑制することができる。

１ 圧縮機、２ 第１熱交換器、２ａ 入口、３ 膨張弁、４ 第２熱交換器、５ 四方弁、６ マフラー、７ アキュムレータ、７Ａ 吸入管、８ 触媒燃焼装置、９ 冷媒配管、９Ａ 吐出冷媒配管、９Ｂ 冷媒配管、９Ｃ 冷媒配管、１０ 触媒燃焼装置、１１ 密閉容器、１１ａ 吐出口、１１ｂ 吸入口、１２ 潤滑油溜、１３ 電動要素、１４ 回転軸、１５ 圧縮要素、１５ａ 吐出口、１６ 固定子、１７ 回転子、１８ 油戻し孔、１９ 鉄心、２１ 巻線、２４ シリンダ、２５ 偏心部、２６ ローラ、２７ ベーン、２８ 上軸受部、２９ 下軸受部、３０ 吐出弁、３１ カップマフラー、３４ 吐出口、４１ 触媒部、４１Ａ 鉛直部、４１Ｂ 水平部、４２ 接続部、４３ 防油板、４４ 開口部、５０ 触媒燃焼装置、５１ 触媒燃焼装置、１００ ヒートポンプ装置、１００Ａ 室外機、１００Ｂ 室内機、１０１ ヒートポンプ装置。

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を有し、これらが冷媒配管で接続されて構成された冷媒流路を有し、
   前記冷媒流路を流れる冷媒及び潤滑油のうちの少なくとも一方が可燃性を有するヒートポンプ装置において、
   前記冷媒流路のうちの高圧流路に設けられ、空気と前記冷媒及び前記潤滑油のうち可燃性を有するものとが混合した可燃性混合気を、前記冷媒及び前記潤滑油のうち可燃性を有するものの自己発火温度より低い温度で燃焼させる触媒燃焼装置を有している
   ことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記触媒燃焼装置は、
   セラミックコーティングがされた基材に、前記可燃性混合気と反応して温度が上昇する触媒貴金属の微粒子が塗布された触媒部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記触媒燃焼装置は、
   前記潤滑油が前記触媒部に付着することを抑制する防油板を有している
   ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記防油板は、
   前記触媒部の径の中心から、前記触媒部の径方向に放射状に拡がる線に対して交わるように設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記触媒燃焼装置は、
   前記圧縮機の密閉容器内であって、冷媒を圧縮する圧縮要素よりも下流側に設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記触媒燃焼装置は、
   前記密閉容器の内壁のうち、前記圧縮要素と前記圧縮要素を駆動する電動要素との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記触媒燃焼装置は、
   前記密閉容器内であって、前記圧縮要素及び前記圧縮要素を駆動する電動要素の下流側に設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記触媒燃焼装置は、
   前記圧縮機と前記凝縮器とを接続する前記冷媒配管に設けられた
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
9. 前記冷媒は、
   イソブタン、プロパン及びＲ３２のうちの少なくとも１つを有している
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。

Images