JP2006097969A - エンジン駆動式冷凍サイクル装置およびヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸入側からの液圧縮による圧縮機の不具合を最小限に抑えると共に、起動に要する時間を短縮可能とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置およびヒートポンプ式空調装置を提供する。
【解決手段】 エンジン駆動式冷凍サイクル装置において、圧縮機１１０ａとして可変容量型圧縮機１１０ａを用い、冷凍サイクルＲ内の圧力を検出する圧力検出手段１８１と、圧縮機１１０ａ停止中の冷凍サイクルＲ内の飽和圧力に対して圧縮機１１０ａが圧縮作動可能となる圧縮作動可能吐出容量を決定する吐出容量決定手段Ｓ１３０とを設け、制御装置１９０は、圧縮機１１０ａの起動時に、圧縮機１１０ａの吐出容量を、吐出容量決定手段（Ｓ１３０）によって、圧力検出手段１８１から得られる圧力値に対応する圧縮作動可能吐出容量に可変するようにする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、空気を冷却あるいは加熱するエンジン駆動式冷凍サイクル装置およびヒートポンプ式空調装置に関するものであり、専用のエンジンによって圧縮機が駆動される定置型のヒートポンプ式空調装置に適用して好適である。

従来、冷凍サイクル中の圧縮機として、一回転当りの吐出容量が可変可能な可変容量型圧縮機を用いるものにおいて、この圧縮機を起動させる際に、吐出容量を最小容量に規制した後に目標容量に可変していくもの（例えば、特許文献１）が知られており、圧縮機の駆動源（特許文献１中では、エンジンあるいはモータ）の起動トルクの低減を図り、駆動源にかかる負荷を低減するようにしている。
特開平１１−２８７１８２号公報

しかしながら、本発明者の研究によれば、例えば低温時のように停止時の冷凍サイクル中の飽和圧力が低い場合においては、圧縮機の吐出容量をある容量以上に設定して起動しないと、圧縮を始めないということが解り、上記特許文献１のように最小容量から起動すると目標容量に到達して、通常の圧縮作動に至るまでに時間がかかるということが新たな問題として捉えられた。逆に、吐出容量を最大側に設定して起動すると、吸入側から圧縮機に液冷媒が吸入された場合の液圧縮に伴う不具合（圧縮機の損傷等）が大きくなる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、吸入側からの液圧縮による圧縮機の不具合を最小限に抑えると共に、起動に要する時間を短縮可能とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置およびヒートポンプ式空調装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、エンジン（１０）によって駆動され、冷凍サイクル（Ｒ）内の冷媒を圧縮吐出する圧縮機（１１０ａ）と、エンジン（１０）の作動を制御する制御装置（１９０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、圧縮機（１１０ａ）は、一回転当りの吐出容量を可変可能とする可変容量型圧縮機（１１０ａ）であり、冷凍サイクル（Ｒ）内の圧力を検出する圧力検出手段（１８１）と、圧縮機（１１０ａ）停止中の冷凍サイクル（Ｒ）内の飽和圧力に対して圧縮機（１１０ａ）が圧縮作動可能となる圧縮作動可能吐出容量を決定する吐出容量決定手段（Ｓ１３０）とを設け、制御装置（１９０）は、圧縮機（１１０ａ）の起動時に、圧縮機（１１０ａ）の吐出容量を、吐出容量決定手段（Ｓ１３０）によって、圧力検出手段（１８１）から得られる圧力値に対応する圧縮作動可能吐出容量に可変することを特徴としている。

これにより、圧縮機（１１０ａ）の起動時点から確実な圧縮作動が得られるので、起動に要する時間を短縮することができる。尚、この時、圧縮作動可能吐出容量は必要最小限の吐出容量として設定することができ、吸入側から圧縮機（１１０ａ）に液冷媒が吸入された場合でも液圧縮に伴う不具合を最小限に抑えることができる。

請求項２に記載の発明では、制御装置（１９０）は、圧縮機（１１０ａ）の起動後、可変された圧縮作動可能吐出容量を予め定めた所定時間維持することを特徴としている。

これにより、所定時間を圧縮作動安定化までの最小限の時間として設定することで、液圧縮が起きた際の不具合を最小限に抑えることができる。

そして、請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置は、請求項３に記載の発明のように、冷凍サイクル（Ｒ）中に配設される凝縮器および蒸発器のうち、一方を室内熱交換器（１３０）、他方を室外熱交換器（１６０）とするヒートポンプ式空調装置に用いて好適である。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を、図１〜図５に基づいて説明する。尚、図１は本発明に係わるエンジン駆動式のヒートポンプ式空調装置１００を示す模式図、図２は圧縮機１１０ａを示す断面図、図３は飽和圧力と圧力制御弁１１７に供給する電流デューティ比との関係を示すマップ、図４、図５は制御装置１９０が行うヒートポンプ式空調装置１００の制御のためのフローチャートである。

本実施形態は、複数の圧縮機１１０ａ、１１０ｂを備え、その圧縮機１１０ａ、１１０ｂがエンジン１０によって駆動されるもので、このヒートポンプ式空調装置１００は定置型或いは車両搭載型として用いられ、居室内や車室内を冷暖房することができるが、本実施形態では定置型に適用したものとして述べる。

ヒートポンプ式空調装置（以下、空調装置）１００は、図１に示すように、冷凍サイクルＲと、この冷凍サイクルＲの作動を制御する制御装置１９０とから構成される冷凍サイクル装置をベースとしており、四方弁１２０の流路切替えによって室内熱交換器１３０において、暖房あるいは冷房を可能にするものとしている。

冷凍サイクルＲは、周知のように、圧縮機１１０ａ、１１０ｂ、四方弁１２０、室内熱交換器１３０、室内膨張弁１４０、室外膨張弁１５０、室外熱交換器１６０、上記四方弁１２０、アキュムレータ１７０が順次接続されたものである。尚、圧縮機１１０ａ、１１０ｂは冷媒の流れに対して並列配置されるようにしている。この圧縮機１１０ａ、１１０ｂの詳細については後述する。

四方弁１２０は、冷凍サイクルＲ内を流れる冷媒の流れ方向を切替える弁であり、後述する制御装置１９０によって制御されるようになっている。

室内熱交換器１３０は、暖房時には凝縮器として機能し、冷房時には蒸発器として機能する熱交換器である。また、室外熱交換器１６０は、暖房時には蒸発器として機能し、冷房時には凝縮器として機能する熱交換器である。

室内膨張弁１４０、室外膨張弁１５０は、冷凍サイクルＲ内の冷媒を減圧膨張させる減圧手段であり、後述する制御装置１９０によって、その弁開度が制御されるようになっている。

アキュムレータ１７０は、室内熱交換器１３０あるいは室外熱交換器１６０からの冷媒を気液分離して蓄えるものであり、分離されたガス冷媒を圧縮機１１０ａ、１１０ｂに供給する。

また、圧縮機１１０ａ、１１０ｂの吐出側には吐出側冷媒の圧力を検出する高圧センサ（本発明における圧力検出手段に対応）１８１が設けられ、圧縮機１１０ａ、１１０ｂの吸入側には吸入側冷媒の圧力を検出する低圧センサ１８２が設けられている。各センサ１８１、１８２によって検出される圧力信号は後述する制御装置１９０に入力されるようになっている。

圧縮機１１０ａ、１１１ｂは、専用のエンジン（例えば灯油を燃料とするディーゼルエンジン）１０を駆動源として駆動されて、冷凍サイクルＲ内の冷媒を高温高圧に圧縮するものであり、吐出量として１回転当りの吐出容量が制御装置１９０によって可変される周知の斜板式の可変容量型圧縮機としている。ここでは、圧縮機１１０ａ、１１０ｂは基本的には同一のものとしており、以下、圧縮機１１０ａを代表して、その構成について説明する。尚、エンジン１０は、このエンジン１０に設けられた回転数センサ１１からの回転数信号に基づいて制御装置１９０によってその作動が制御されるようになっている。

図２に示すように、圧縮機１１０ａには、シャフト１１３に設けられた斜板１１４が、フロントハウジング１１２ａとミドルハウジング１１２ｂとによって形成される斜板室１１２ｄ内に配設され、この斜板１１４の外周部にシュー１１５を介して複数のピストン１１６が接続されている。尚、シャフト１１３のフロントハウジング１１２ａ側の先端部には、プーリ１１１が固定されている。プーリ１１１は、駆動ベルト１３によってエンジン１０のクランクプーリ１２と接続されており（図１）、エンジン１０の駆動力を受けて回転駆動し、シャフト１１３を回転させる。

また、リアハウジング１１２ｃには斜板室１１２ｄ内の圧力Ｐｃを調整するための、圧力制御弁１１７が設けられている。圧力制御弁１１７の内部にはコイル１１７ａに後述する制御装置１９０から電流（ＯＮ−ＯＦＦのパルス電流信号）が供給されることによって、長手方向に摺動して開口部１１７ｂを開閉する弁体１１７ｃが設けられている。弁体１１７ｃは、コイル１１７ａに供給される電流値（パルス電流信号のＯＮ時の時間比率を示すデューティ比）が大きくなる程、開口部１１７ｂを閉じる側に摺動する。

弁体１１７ｃが収容される空間は、連通路１１７ｄによって斜板室１１２ｄと連通している。また、弁体１１７ｃと対向する側の空間は、連通路１１７ｅによって吐出室１１２ｅと連通している。また、斜板室１１２ｄと吸入室１１２ｆとは排気通路１１７ｆによって連通している。

よって、弁体１１７ｃによって開口部１１７ｂが開かれている時（即ち、圧力制御弁１１７に供給される電流のデューティ比が小さい時）は、斜板室１１２ｄと吐出室１１２ｅとが連通され、吐出室１１２ｅ内の圧力Ｐｄによって斜板室１１２ｄ内の圧力Ｐｃが上昇することになる。すると、斜板１１４はシャフト１１３に対して垂直と成る側に立ち上がり、ピストン１１６のストロークを小さくして圧縮機１１０ａの吐出容量を低下させる。斜板１１４の傾斜状態がほぼ垂直と成る時に吐出容量は最小（ほぼゼロ）となる。

また逆に弁体１１７ｃが開口部１１７ｂを閉じると（即ち、圧力制御弁１１７に供給される電流のデューティ比が大きい時は）、斜板室１１２ｄと吐出室１１２ｅは遮断され、斜板室１１２ｄ内の圧力Ｐｃは排気通路１１７ｆから圧力（Ｐｓ）の低い吸入室１１２ｆ側に逃げる。すると斜板室１１２ｄ内の圧力Ｐｃは低下し、斜板１１４が図２に示すように大きく傾斜し、ピストン１１６のストロークを大きくして吐出容量を増加させる。このように、圧縮機１１０ａは、圧力制御弁１１７によって、吐出容量がゼロ（０％吐出容量）から最大吐出容量（１００％吐出容量）まで連続的に可変可能となっている。

一方、圧縮機１１０ｂは、上記圧力制御弁１１７の弁体１１７ｃを全開（０％吐出容量）あるいは全閉（１００％吐出容量）の二者選択とするＯＮ−ＯＦＦ弁１１８としたものとしており（図１）、圧縮機１１０ｂの作動時は常に１００％吐出容量となるようにしている。

図１に戻って、制御装置１９０は、回転数センサ１１からの回転数信号、高圧センサ１８１および低圧センサ１８２からの圧力信号（高圧信号、低圧信号）、更には環境情報信号（ユーザの設定する設定温度信号、室内温度信号、外気温度信号等）、室内熱交換器１３０および室外熱交換器１６０での空気温度信号等が入力されて、これらの信号に基づいて上記エンジン１０、圧力制御弁１１７、ＯＮ−ＯＦＦ弁１１８、四方弁１２０、室内膨張弁１４０、室外膨張弁１５０を制御するものとしている。特に本発明においては、圧縮機１１０ａの起動時の制御に特徴を持たせており、制御装置１９０には、この時に使用する飽和圧力−デューティ比マップ（図３に示すものであり、詳細後述）を予め記憶させている。

尚、上記構成を有する空調装置１００において、各構成要素のうち室内熱交換器１３０、室内膨張弁１４０は、室内機１００ａを構成して室内の適所に設置され、その他のものは、室外機１００ｂを構成して室外の適所に設置されている。

次に、上記構成に基づく本実施形態の作動について説明する。制御装置１９０は、図４に示すフローチャートに基づいて、ステップＳ１００でエンジン１０、圧縮機１１０ａ、１１０ｂの起動制御（詳細後述）を行い、ステップＳ２００で暖房あるいは冷房のための運転制御を行い、暖房あるいは冷房が不要となるとステップＳ３００で停止制御（エンジン１０を停止させる）を行って空調装置１００を停止させる。

尚、上記ステップＳ２００の暖房、冷房運転制御において、暖房運転時には、制御装置１９０は、四方弁１２０内の流路を暖房側（図１中の実線）に切替え、室内膨張弁１４０を全開にし、室外膨張弁１５０を膨張弁として機能する開度に調節する。圧縮機１１０ａ、１１０ｂから吐出される高温のガス冷媒は、四方弁１２０を通り、室内熱交換器１３０で凝縮液化することで暖房を行った後、液化した液冷媒が室外膨張弁１５０で減圧され、室外熱交換器１６０で蒸発し、四方弁１２０を再び通ってからアキュムレータ１７０にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機１１０ａ、１１０ｂに戻る。

また、冷房運転時には、制御装置１９０は、四方弁１２０内の流路を冷房側（図１中の破線）に切替え、室外膨張弁１５０を全開にし、室内膨張弁１４０を膨張弁として機能する開度に調節する。圧縮機１１０ａ、１１０ｂから吐出される高温のガス冷媒は、四方弁１２０を通り、室外熱交換器１６０で凝縮液化し、液化した液冷媒は室内膨張弁１４０で減圧され、室内熱交換器１３０で蒸発することで冷房を行った後、四方弁１２０を再び通ってからアキュムレータ１７０にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機１１０ａ、１１０ｂに戻る。

この時、制御装置１９０は、環境情報信号、室内熱交換器１３０あるいは室外熱交換器１６０での空気温度信号等から、必要とされる暖房能力あるいは冷房能力に応じて、圧力制御弁１１７の弁開度を調節して、圧縮機１１０ａの吐出容量を可変する、または、ＯＮ／ＯＦＦ弁１１８をＯＮ−ＯＦＦして圧縮機１１０ｂの作動−停止を行うことで、冷凍サイクルＲ中を流れる冷媒流量を制御する。具体的には、圧縮機１１０ａのみの作動（圧縮機１１０ｂはＯＦＦ状態）で０％吐出容量〜１００％吐出容量にして、冷媒流量を制御する。１００％吐出容量が必要な時は、圧縮機１１０ａの吐出容量を０％に切替え、ＯＮ／ＯＦＦ弁１１８をＯＮにして、圧縮機１１０ｂを作動させることで１００％吐出容量を継続する。更に、１００％以上の吐出容量が必要となる時は、圧縮機１１０ｂを作動状態として、再び圧縮機１１０ａを作動させて、１００％吐出容量〜２００％吐出容量にして、冷媒流量を制御する。

また、制御装置１９０は、高圧センサ１８１、低圧センサ１８２から得られる各圧力信号が、予め定めた高圧側閾値、低圧側閾値を外れた時には、冷凍サイクルＲの保護のために、エンジン１０、圧縮機１１０ａ、１１０ｂの作動を停止させる。

次に、本発明の特徴部となるステップＳ１００の起動制御について、図３に示す飽和圧力−デューティ比マップ、図５に示すフローチャート（ステップＳ１００のサブルーチンフロー）を用いて説明する。

ここで飽和圧力−デューティ比マップ（以下、デューティ比マップ）というのは、「課題」の項で説明したように、例えば低温時のように停止時の冷凍サイクルＲ中の飽和圧力が低い場合においては、圧縮機１１０ａの吐出容量をある容量以上に設定して起動しないと、圧縮を始めないということから、冷凍サイクルＲの停止時における飽和圧力と、圧縮機１１０ａを起動させた時に圧縮機１１０ａが圧縮作動可能となる吐出容量（即ち、圧力制御弁１１７へ供給する電流デューティ比）との関係を求めたものである。実際には上記両者の関係を予め実験的に求めてデューティ比マップを作成し、このデューティ比マップを制御装置１９０に記憶させている。因みに、このデューティ比マップから、例えば低温時で飽和圧力の低い場合（０．３ＭＰａレベルの時）には、デューティ比（吐出容量）を約５０％近傍（圧縮作動可能吐出容量）に設定しないと圧縮機１１０ａは本来の圧縮作動を行わない（行えない）ことが解る。

図５に示すフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１１０で回転数センサ１１からの回転数信号をフィードバックすることで目標エンジン回転数となるようにエンジン１０を始動させる。次に、ステップＳ１２０で高圧センサ１８１からの圧力信号を検出し、ステップＳ１３０でデューティ比マップからこの時の圧力値に対応するデューティ比（吐出容量）を決定する。尚、このステップＳ１３０は、本発明における吐出容量決定手段に対応する。

そして、ステップＳ１４０で、このデューティ比の電流信号を圧力制御弁１１７に供給し、圧力制御弁１１７の弁開度を調整し、圧縮機１１０ａの吐出容量を圧縮作動可能吐出容量に可変する。更に、ステップＳ１５０で所定時間経過するのを確認して、この起動制御を終了する。尚、所定時間というのは、安定した圧縮作動となるまでの必要最小限の時間として、予め設定したものである。

これにより、圧縮機１１０ａの起動時点から確実な圧縮作動が得られるので、起動に要する時間を短縮することができる。尚、この時、圧縮作動可能吐出容量は必要最小限の吐出容量として設定することができるので、吸入側から圧縮機１１０ａに液冷媒が吸入された場合でも液圧縮に伴う不具合を最小限に抑えることができる。

また、圧縮機１１０ａを起動後に、安定化のために圧縮作動可能吐出容量を必要最小限の時間（所定時間）だけ維持するようにしているので、液圧縮が起きた際の不具合を最小限に抑えることができる。

尚、図４に示す暖房、冷房運転制御（ステップＳ２００）において、圧縮機１１０ｂを起動させる時は、すでに圧縮機１１０ａによって冷凍サイクルＲは作動されているので、１００％吐出容量で起動させても吸入側からの液圧縮の影響を受けることは無い。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、圧力検出手段として高圧センサ１８１を用いたが、低圧センサ１８２を用いて対応しても良い。また、圧縮機１１０ｂは、基本を固定容量型圧縮機として、ＯＮ−ＯＦＦ弁１１８の代わりにプーリ１１１とシャフト１１３との間を断続する電磁クラッチとしたものとしても良い。

また、上記第１実施形態は、エンジン駆動のヒートポンプ式空調装置であったが、本発明はこれに限らず、ヒートポンプ式以外の冷媒圧縮式冷凍サイクルに適用してもよい。また、空調装置以外の水や不凍液等のブライン（熱交換媒体）を加熱する給湯装置等に適用しても良い。

ヒートポンプ式空調装置を示す模式図である。 圧縮機（１１０ａ）を示す断面図である。 飽和圧力と圧力制御弁に供給する電流デューティ比との関係を示すマップである。 ヒートポンプ式空調装置の全体制御のためのフローチャートである。 起動制御のためのフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１００ ヒートポンプ式空調装置
１１０ａ 圧縮機
１３０ 室内熱交換器
１６０ 室外熱交換器
１８１ 高圧センサ（圧力検出手段）
１９０ 制御装置
Ｒ 冷凍サイクル

Claims (3)

1. エンジン（１０）によって駆動され、冷凍サイクル（Ｒ）内の冷媒を圧縮吐出する圧縮機（１１０ａ）と、
   前記エンジン（１０）の作動を制御する制御装置（１９０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
   前記圧縮機（１１０ａ）は、一回転当りの吐出容量を可変可能とする可変容量型圧縮機（１１０ａ）であり、
   前記冷凍サイクル（Ｒ）内の圧力を検出する圧力検出手段（１８１）と、
   前記圧縮機（１１０ａ）停止中の前記冷凍サイクル（Ｒ）内の飽和圧力に対して前記圧縮機（１１０ａ）が圧縮作動可能となる圧縮作動可能吐出容量を決定する吐出容量決定手段（Ｓ１３０）とを設け、
   前記制御装置（１９０）は、前記圧縮機（１１０ａ）の起動時に、前記圧縮機（１１０ａ）の前記吐出容量を、前記吐出容量決定手段（Ｓ１３０）によって、前記圧力検出手段（１８１）から得られる圧力値に対応する前記圧縮作動可能吐出容量に可変することを特徴とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置（１９０）は、前記圧縮機（１１０ａ）の起動後、可変された前記圧縮作動可能吐出容量を予め定めた所定時間維持することを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、
   前記冷凍サイクル（Ｒ）中に配設される凝縮器および蒸発器のうち、一方は室内熱交換器（１３０）、他方は室外熱交換器（１６０）として設定されたことを特徴とするヒートポンプ式空調装置。

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