JP4069658B2 - エンジン駆動式冷凍サイクル装置および暖房装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒循環による冷凍サイクルと、その冷媒の圧縮機を駆動するエンジンとを有し、空気や水等の流体の冷却や加熱を行うエンジン駆動式冷凍サイクル装置に関するもので、特に低外気温時の加熱能力向上に関し、空気を加熱して居室内の暖房を行う暖房装置等に適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】
近年、圧縮機の駆動にエンジンを用いたエンジン駆動式冷凍サイクル装置が普及し、特に、冷凍サイクルにヒートポンプ方式を用いた冷暖房装置や給湯装置等が数多く使われている。このようなヒートポンプサイクルは、加熱時に外気から吸熱するため、外気温度が低下すると吸熱効率が低下して加熱能力が低下する(図2の外気温度と加熱能力との関係を表すグラフ参照)。このため、加熱能力が必要となる低温時ほど能力が不足して問題となっていた。
【0003】
ちなみに、これらのエンジンには発生熱を冷却するための冷却水回路が備わっており、エンジンの冷却仕事を終えて昇温した冷却水は、ラジエータで放熱冷却して再びエンジンに供給し、これを繰り返して循環させるようになっている。以前は昇温したエンジン冷却水の熱と共に、排気ガスの熱も排熱されてなんら利用されることはなかった。しかし、上記の問題を解決する技術として、最近ではこうした排熱を再利用することが見直されてきている。つまり熱を回収して暖房や給湯加熱に有効利用することである。
【0004】
この種のエンジン熱を回収して加熱の助成に利用するシステムとして、一般的なエンジン駆動式ヒートポンプ装置においての構造は、エンジンのウォータジャケット、又は排ガスで冷却水を加熱し、昇温した冷却水の熱を冷媒回路に供給するための冷媒加熱器を設けて冷媒回路に組み込んでいる。これにより冬季加熱時は、エンジンの排熱を熱源として回収し、この回収熱を冷媒回路における加熱の強化に利用し、夏季シーズンは排熱している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術の排熱回収を行っても、極寒時にはエンジンにて圧縮機を駆動する負荷自体が減少しているため、エンジンから発生する排熱も減少してしまい、加熱熱量が不足するという問題がある。本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に加熱能力を向上することのできるエンジン駆動式冷凍サイクル装置及び暖房装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。請求項1記載の発明では、エンジン(1)の吸気通路(1a)の途中に、吸気加熱手段(11)を設けると共に、制御手段(150)は、外気温度(Tout)が第1所定温度(T1)を下回った場合に冷媒加熱器(7)にて冷媒を加熱する排熱回収を行い、外気温度(Tout)が第1所定温度(T1)より低い第2所定温度(T2)を下回った場合に吸気加熱手段(11)でエンジン(1)の吸気を加熱する吸気加熱と排熱回収とを行うことを特徴とする。
【0007】
エンジン(1)の吸気通路(1a)の途中に設ける吸気加熱手段(11)の一例としてインテークヒータがあり、図3は、そのインテークヒータ11の(a)正面図と、(b)断面側面図である。従来、このインテークヒータ11は、ディーゼルエンジンの始動補助や排気エミッション対策として使われているものである。
【0008】
具体的には、プレヒートとしてエンジン始動の直前に発熱プレート11aに通電して吸入空気を暖め、低温時の始動性を向上させている。更に、アフターヒートとして始動後も一定時間、発熱プレート11a・11bに通電して吸入空気を暖め、アイドル安定化や白煙低減等を計っている。しかし、あくまで従来はエンジン始動の直前と直後だけの使用であり、運転中は使用されていない。
【0009】
本案は、このような吸気加熱を低温時の運転中に行うことで、加熱した熱量を排熱として回収して加熱熱量に利用すると共に、緩慢とした低温時のエンジン燃焼を活性化させて排熱量そのものを増量することに着目したものである。エンジンの吸気温度を上昇させることで、空気と燃料の混合および燃焼反応が活性化し、燃焼温度および排気ガス温度が上昇して冷却水の加熱度が上がる。図4は、この吸気加熱の効果を説明するグラフであり、
[吸気加熱無しでの排熱量A+吸気加熱熱量B<吸気加熱有りでの排熱量C]となっている。
【0010】
またその結果、図5の外気温度に対する吸気加熱効果の違いを表すグラフに示すように、特に低外気温時の排熱量を向上させることができる。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【0012】
図7は、本発明の吸気加熱+排熱回収による効果を表すグラフである。吸気加熱も排熱回収もしない状態での加熱能力(実線の曲線)が必要能力と交差する点の外気温度を第1所定温度(T1)とし、この温度を下回る(加熱能力が必要能力を下回る)場合、まず排熱回収を行うことで加熱能力は破線の曲線へと引き上がる。
【0013】
次に、この排熱回収を行った状態での加熱能力が必要能力と交差する点の外気温度を第2所定温度(T2)とし、この温度を下回る(加熱能力が必要能力を下回る)場合、更に吸気加熱を加えることで加熱能力は一点鎖線の曲線へと引き上げることができる。このように、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。ちなみに図7中のS7〜9は後述する図6のフローチャートのステップと対応するものである。
【0014】
請求項2および請求項3記載の発明では、制御手段(150)は、吸気加熱を行う上で、外気温度(Tout)が低いほど吸気加熱量を大きくすることを特徴とする。このように外気温度が低いほど加熱量を大きくすることで低温時の加熱能力低下を効率よく補って必要能力を確保することができるようになる。尚図8は、本項発明における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフであり、外気温に対する吸気加熱量の変化は、直線的(K1)であっても、段階的(K2)であっても、加熱能力の低下に対応した曲線的(図示せず)であっても良い。
【0015】
請求項4記載の発明では、吸気加熱手段(11)として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ(11)を用いていることを特徴とする。これにより、エンジンの始動補助や排気エミッション対策と、冷凍サイクルの加熱能力向上とに共通して使えるうえ、コストを抑えることができる。
【0016】
請求項5記載の発明では、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、凝縮器(5)を室内熱交換器(5)とし、蒸発器(8)を室外熱交換器(8)としたことを特徴とする。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することのできる暖房機とすることができる。
【0017】
請求項6記載の発明では、制御手段(150)は、室内温度(Tr)が第1所定温度(t1)を下回った場合に排熱回収を行い、室内温度(Tr)が第1所定温度(t1)より低い第2所定温度(t2)を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行うことを特徴とする。これは請求項2に記載の発明の外気温度(Tout)を室内温度(Tr)に置き換えたものである。
【0018】
これによっても図7のグラフと同様に、室内温が低く加熱能力を必要とする状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0019】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態におけるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置(以下、単に空調装置という)100の全体構成を示す模式図である。
【0020】
本実施形態は、灯油・軽油・ガソリン等を燃料とする水冷式のエンジン1により、冷媒循環による冷凍サイクル110の圧縮機2が駆動され、空気の冷却や加熱を行って居室内の冷暖房を行うものである。この空調装置100は定置型或いは車両搭載型として用いられ、屋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。
【0021】
まず全体の構成を説明すると、エンジン1によって駆動される圧縮機2、冷媒の流路を切り替える四方弁4、冷房時は蒸発器として働き暖房時は凝縮器として働く室内熱交換器5、冷媒の減圧手段である膨張弁6、エンジン1の排熱によって暖められた冷却水で冷媒を加熱する冷媒加熱器7、冷房時は凝縮器として働き暖房時は蒸発器として働く室外熱交換器8、冷媒を気液に分離しガス冷媒を導出するアキュムレ−タ9が冷媒回路(実線矢印)110によって順次接続され、基本となる冷凍サイクルが構成されている。
【0022】
ここで、圧縮機2はエンジン1のクランクプーリと連動するVベルト3によって駆動される。尚、室内熱交換器5と室外熱交換器8には、図示しない送風手段として電動式のモータで駆動される室内ファン、室外ファンが設けられている。また、膨張弁6としては、周知のように、運転時に蒸発器となる方の熱交換器出口の冷媒温度及び冷媒圧力を、各々図示しない温度センサ及び圧力センサで検知し、これらセンサからの検知信号に応じて弁開度を制御する電子膨張弁が用いられる。
【0023】
一方、エンジン1の冷却水回路(破線)120は、エンジン1から排ガス熱回収機13を通り、冷媒加熱器7に温水を供給してからエンジン1に戻る回路となっており、冷却水ポンプ14によって循環されている。
【0024】
尚、排ガス熱回収機13とは、エンジン1の排気マニホールド1cの後流に設けられ、排気ガスによって冷却水を加熱して排ガスの排熱を回収するものである。また、冷却水回路120には、図示しないラジエ−タを通ってエンジン1に戻る回路も設けられており、冷房時等で排熱回収を行わない場合、ラジエ−タを通して冷却水を放熱冷却してオーバーヒートを防止するようになっている。
【0025】
エンジン1の吸排気部分で、10はエアクリーナであり、ここで塵埃が除去された(浄化された)空気は吸気通路1aから吸気加熱手段としてのインテークヒータ11(図3参照)を通り、吸気マニホールド1bからエンジン1に供給される。また、燃料燃焼後の排気ガスは、排気マニホールド1cから上記の排ガス熱回収機13を通って排気通路1dを流れ、途中部のマフラ15で消音されてから機外に放出される。
【0026】
かかる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5及び室内ファンは、室内機130を構成して室内の適所に設置され、その他のものは、エンジンを内蔵して定置して使用される装置として室外機140を構成し、屋外の適所に設置されている。
【0027】
そして、空調装置100は電子回路等からなる制御装置150を室外機140内の適宜な場所に有している。そして、この制御装置150には、図示しない操作パネルからの設定温度Tset、図示しないセンサ群から外気温度Tout、冷却水水温Tw、排気温度Tex、室内温度Tr等が入力され、エンジン1、四方弁4、電子膨張弁6、インテークヒータ11、冷却水ポンプ14等に制御信号を出力することによって、これら両機130、140を作動制御するようになっている。
【0028】
次に、上記構成に基づき本実施形態の作動を説明する。暖房時:制御装置150の暖房スイッチが起動されると、四方弁4が暖房側(実線)に切り替えられ、圧縮機2を出た高温のガス冷媒は四方弁4を通り、室内熱交換器5で凝縮し暖房を行う。
【0029】
その後、膨張弁6で減圧され、冷媒加熱器7でエンジン1の熱を回収した温水と熱交換して蒸発し、室外熱交換器8にて空気と熱交換(外気吸熱)して更に蒸発し、四方弁4を再び通り、アキュムレータ9から圧縮機2に戻る。この時、温水回路120において、エンジン1からの温水は、排ガス熱回収機13で排ガスにて更に加熱され、冷媒加熱器9で冷媒を加熱してから再びエンジン1に戻る。
【0030】
冷房時:制御装置150の冷房スイッチが起動されると、四方弁4が冷房側(破線)に切り替えられ、圧縮機2を出た高温のガス冷媒は四方弁4から室外熱交換器8へ流れて放熱凝縮され、冷媒加熱器9を通過し、膨張弁6で減圧され、室内熱交換器5で吸熱蒸発し、冷房を行う。
【0031】
その後、再び四方弁4を通り、アキュムレータ10にて気液分離され、再び圧縮機2に戻る。この時、温水回路120において、エンジン1からの温水は、ラジエータを通って放熱冷却されてから再びエンジン1に戻る。
【0032】
次に、本実施形態の加熱能力向上制御について説明する。図6は、本発明の第1実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。まずステップS1で、冷凍サイクルが加熱状態であるか否かを判定する。加熱状態である場合は排熱回収や吸気加熱が必要となる可能性があるとして次のステップS2に進む。また、加熱状態でない場合は排熱回収も吸気加熱も必要ないため、ステップS9へ進んで排熱回収も吸気加熱も行わない状態で繰り返す。
【0033】
次にステップS2では、以後の判定に必要な情報として、センサ群で検出される外気温度Tout、冷却水水温Tw、及び排気温度Texを取り込む。そして、ステップS3では、外気温度Toutを第1所定温度T1と比較して、排熱回収が必要か否かを判定する。本実施例では、この第1所定温度T1を8℃としており、8℃を下回る場合は少なくとも排熱回収が必要として次のステップS4へ進む。また、8℃以上の場合は排熱回収も必要ないため、ステップS9へ進んで排熱回収も吸気加熱も行わない状態で繰り返す。
【0034】
次のステップS4では、冷却水水温Twで吸気加熱が必要か否かを判定する。ここではその閾値を95℃としており、95℃を下回る場合は吸気加熱も必要となる可能性があるとして次のステップS5に進む。また、95℃以上の場合は排熱回収可能としてステップS8へ進み、排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【0035】
次のステップS5では、排気温度Texが排熱回収に使えるだけ高いか否かを判定する。ここではその閾値を300℃としており、300℃を下回る場合は吸気加熱も必要となる可能性があるとして次のステップS6に進む。また、300℃以上の場合は排熱回収可能としてステップS8へ進み、排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【0036】
次にステップS6では、外気温度Toutを第2所定温度T2と比較して、吸気加熱が必要か否かを判定する。本実施例では、この第2所定温度T2を0℃としており、0℃を下回る場合は吸気加熱が必要として次のステップS7へ進んで排熱回収も吸気加熱も行う。また、0℃以上の場合は吸気加熱は必要ないため、ステップS8へ進んで排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【0037】
次に、本実施形態の特徴について説明する。エンジン1の吸気通路1aの途中に、インテークヒータ11を設けると共に、制御装置150は、外気温度Toutが所定値T2より低い場合、インテークヒータ11でエンジン1の吸気を加熱する吸気加熱を行うと共に、冷媒加熱器7にて冷媒を加熱する排熱回収を行っている。
【0038】
本実施形態では、このような吸気加熱を低温時の運転中に行うことで、加熱した熱量を排熱として回収して加熱熱量に利用すると共に、緩慢とした低温時のエンジン燃焼を活性化させて排熱量そのものを増量している(図4、5参照)。これは、特に低外気温時の排熱量を向上させることができ、これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【0039】
また、制御装置150は、外気温度Toutが第1所定温度T1を下回った場合に排熱回収を行い、外気温度Toutが第1所定温度T1より低い第2所定温度T2を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行っている(図7参照)。このように、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【0040】
また、吸気加熱手段として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ11を用いている。これにより、エンジンの始動補助や排気エミッション対策と、冷凍サイクルの加熱能力向上とに共通して使えるうえ、コストを抑えることができる。
【0041】
また、このようなエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、凝縮器を室内熱交換器5とし、蒸発器を室外熱交換器8としている。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することのできる暖房機とすることができる。
【0042】
(第2実施形態)
図8は、本発明の第2実施形態における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフである。第1実施形態と異なるのは、制御装置150で吸気加熱を行う場合、外気温度Toutが低いほど吸気加熱量を大きくしている。このように外気温度が低いほど加熱量を大きくすることで低温時の加熱能力低下を効率よく補って必要能力を確保することができるようになる。
【0043】
(第3実施形態)
図9は、本発明の第3実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。第1実施形態のフローチャート(図6)とは外気温度Toutを室内温度Trに置き換えており、制御装置150は、室内温度Trが第1所定温度t1(本実施例では18℃)を下回った場合に排熱回収を行い、室内温度Trが第1所定温度t1より低い第2所定温度t2(本実施例では10℃)を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行っている。
【0044】
これによっても第1実施形態と同様に、室内温が低く加熱能力を必要とする状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【0045】
(その他の実施形態)
上述の実施形態は、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。
【0046】
また、上述の実施形態では、吸気加熱手段として電気ヒータを用いているがこれに限らず、エンジン冷却水、エンジン排ガス、サイクル冷媒等と熱交換してエンジン吸気を過熱するものであっても良い。また、上述の実施形態では、インテークヒータへの電力供給は外部電源によるものとしているが、エンジンで駆動する発電機を設けて得られる電力を利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態におけるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図2】外気温度と加熱能力との関係を表すグラフである。
【図3】吸気加熱手段の一例として、インテークヒータの(a)正面図、(b)断面側面図である。
【図4】吸気加熱の効果を説明するグラフである。
【図5】外気温度に対する吸気加熱効果の違いを表すグラフである。
【図6】本発明の第1実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図7】本発明の吸気加熱+排熱回収による効果を表すグラフである。
【図8】本発明の第2実施形態における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフである。
【図9】本発明の第3実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン
1a 吸気通路
2 圧縮機
5 室内熱交換器(凝縮器)
6 膨張弁(減圧手段)
7 冷媒加熱器
8 室外熱交換器(蒸発器)
11 インテークヒータ、吸気加熱手段
110 冷媒回路(冷凍サイクル)
120 冷却水回路
150 制御装置(制御手段)
T1、t1 第1所定温度
T2、t2 第2所定温度、所定値
Tout 外気温度
Tr 室内温度
Claims (6)
- 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(2)、前記冷媒を凝縮させる凝縮器(5)、前記冷媒を減圧する減圧手段(6)、前記冷媒を蒸発させる蒸発器(8)を環状に接続して形成した冷凍サイクル(110)と、
前記圧縮機(2)を駆動するエンジン(1)と、
前記エンジン(1)の冷却水回路(120)途中に、前記エンジン(1)の排熱によって暖められた冷却水で前記冷媒を加熱する冷媒加熱器(7)と、
これら前記冷凍サイクル(110)、前記エンジン(1)、及び前記冷却水回路(120)の状態を制御する制御手段(150)とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
前記エンジン(1)の吸気通路(1a)の途中に、吸気加熱手段(11)を設けると共に、
前記制御手段(150)は、外気温度(Tout)が第1所定温度(T1)を下回った場合に前記冷媒加熱器(7)にて冷媒を加熱する排熱回収を行い、外気温度(Tout)が前記第1所定温度(T1)より低い第2所定温度(T2)を下回った場合に前記吸気加熱手段(11)で前記エンジン(1)の吸気を加熱する吸気加熱と前記排熱回収とを行うことを特徴とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置。 - 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(2)、前記冷媒を凝縮させる凝縮器(5)、前記冷媒を減圧する減圧手段(6)、前記冷媒を蒸発させる蒸発器(8)を環状に接続して形成した冷凍サイクル(110)と、
前記圧縮機(2)を駆動するエンジン(1)と、
前記エンジン(1)の冷却水回路(120)途中に、前記エンジン(1)の排熱によって暖められた冷却水で前記冷媒を加熱する冷媒加熱器(7)と、
これら前記冷凍サイクル(110)、前記エンジン(1)、及び前記冷却水回路(120)の状態を制御する制御手段(150)とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
前記エンジン(1)の吸気通路(1a)の途中に、吸気加熱手段(11)を設けると共に、
前記制御手段(150)は、前記吸気加熱手段(11)で前記エンジン(1)の吸気を加熱する吸気加熱を行う上で、外気温度(Tout)が低いほど吸気加熱量を大きく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。 - 前記制御手段(150)は、前記吸気加熱を行う上で、外気温度(Tout)が低いほど吸気加熱量を大きく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。
- 前記吸気加熱手段(11)として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ(11)を用いていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
- 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、前記凝縮器(5)を室内熱交換器(5)とし、前記蒸発器(8)を室外熱交換器(8)としたことを特徴とする暖房装置。
- 前記制御手段(150)は、室内温度(Tr)が第1所定温度(t1)を下回った場合に前記排熱回収を行い、室内温度(Tr)が前記第1所定温度(t1)より低い第2所定温度(t2)を下回った場合に前記吸気加熱と前記排熱回収とを行うことを特徴とする請求項5に記載の暖房装置。
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