JP4549205B2 - エンジン駆動式ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、エンジン駆動式ヒートポンプにおいてエンジン廃熱回収器及びレシーバを備えた冷媒回路の技術に関する。

エンジンにより駆動される圧縮機と、暖房運転時にエンジンの廃熱を冷媒に回収するエンジン廃熱回収器を冷媒回路に設けたエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路は特許文献１と特許文献２に開示されている。この種のエンジン駆動式ヒートポンプは、暖房運転時には外気より吸熱するとともに、エンジン廃熱を回収利用して、より高い暖房能力を得ようとしている。

従来エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器を並列に配列する構成の技術は公知となっている。すなわち、エンジン駆動式ヒートポンプにおいてエンジン廃熱回収器のラインは、室内熱交換器と減圧装置の間から分岐して吸入ラインに接続されるもので、電磁弁、エンジン廃熱回収器及び廃熱回収器用減圧装置からなる（特許文献１参照）。

さらに、エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器を直列に配列する構成の技術も公知となっている。すなわちエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器の圧縮機側に直列にエンジン廃熱回収器が接続されている。なお、特許文献２ではアキュムレータの内部に該エンジン廃熱回収器が設置されている。
特開平５−１８６２９号公報 特開平７−１９８２１３号公報

ここにエンジンにより駆動される圧縮機と、暖房運転時にエンジンの廃熱を冷媒に回収するエンジン廃熱回収器を冷媒回路に設けてなるエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路がある。この冷媒回路では通常、圧縮機で圧縮された高圧のガス冷媒を凝縮器として室内熱交換器にて凝縮液化する。次に液化された冷媒は膨張機構にて蒸発しやすい状態にて、蒸発器としての室外熱交換器及びエンジン廃熱回収器にて気化される。そして気化されたガス冷媒は再び圧縮機に戻される。

ここで特許文献２に示す従来技術では、前記エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器と圧縮機側の間にエンジン廃熱回収器を直列に配置した冷媒回路としている。しかし、該冷媒回路では回路を循環する全冷媒がエンジン廃熱回収器を通過するので、圧力損失が大きくなり全体の冷媒循環量が低下する。冷媒循環量の低下は、暖房能力の低下又は冷房能力の低下につながる要因である。特に冷房運転では該エンジン廃熱回収器は熱交換器として作用しないので、冷媒回路に余剰な圧力損失が存在することになる。そこで本発明の解決しようとする課題は、通常運転時にエンジン廃熱回収器の圧力損失の影響を低減させて冷媒循環量の低下を防ぐことである。

また、特許文献１に示す従来技術では、前記エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器を並列に配置し、それぞれのレシーバ側に膨張機構を設けた冷媒回路としている。しかし該冷媒回路では、室外熱交換器の熱源である外気負荷とエンジンの廃熱負荷を考慮して、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器のそれぞれを通過する冷媒量を調節する必要がある。なぜなら、例えばどちらかの吸熱負荷が小さい場合に、蒸発しきれない冷媒が圧縮機に戻り圧縮機が湿り運転となり、圧縮機の油上がりや液圧縮を発生し圧縮機故障の原因となるからである。

そこで、発明が解決しようとする課題は前記エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器を並列に配置し、それぞれのレシーバ側に膨張機構を設けた冷媒回路において、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器に適正な冷媒量を分流することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、エンジン駆動式ヒートポンプを下記の制御構成としたものである。
エンジン冷却水と冷媒の熱交換を行うエンジン廃熱回収器とレシーバを設け、該エンジン廃熱回収器と該レシーバを直列に接続し、該レシーバよりも下流で前記エンジン廃熱回収器と室外熱交換器を並列に配置したエンジン駆動方式ヒートポンプにおいて、
前記エンジン廃熱回収器の下流側を四方弁と圧縮機を接続する圧縮機吸入ラインに接続し、該接続部よりも圧縮機側に第一温度センサーを設け、前記エンジン廃熱回収器の下流側で前記接続部よりも上流側に第二温度センサーを設け、暖房運転時に室外熱交換器用膨張弁の開度を前記第一温度センサーで検出する前記室外熱交換器からと、前記エンジン廃熱回収器からの合流冷媒の温度に基づく第一過熱度により制御し、エンジン廃熱回収器用膨張弁の開度を第二温度センサーで検出する前記エンジン廃熱回収器からの冷媒の温度に基づく第二過熱度が、前記第一過熱度よりも所定値以上となるように制御する構成としたものである。

請求項２においては、前記請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、除霜運転時には四方弁と室外熱交換器を連通し、前記エンジン廃熱回収器用膨張弁の開度調整により前記圧縮機吸入ラインにおける冷媒の過熱度を制御し、圧縮機から四方弁、室外熱交換器、レシーバ、エンジン廃熱回収器用膨張弁、エンジン廃熱回収器、そして圧縮機の順に冷媒を循環させる構成としたものである。

請求項３においては、請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、レシーバで冷媒を過冷却し、過冷却に利用した冷媒を前記エンジン廃熱回収器に連通する構成としたものである。

請求項４においては、請求項３記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、エンジン廃熱回収器をレシーバと同室に配置する構成としたものである。

本発明の効果として、エンジンにより駆動される圧縮機と、暖房運転時にエンジンの廃熱を冷媒に回収するエンジン廃熱回収器を冷媒回路に設けてなるエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路に対し、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、前記エンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路において、前記エンジン廃熱回収器の圧力損失の影響を低減し冷媒循環量の低下を防止できる。つまり、室外熱交換器とエンジン廃熱回収器を並列に配置したことで、室外熱交換器を通過する冷媒はエンジン廃熱回収器の影響を受けない。

さらに請求項１においては、暖房運転時に室内熱交換器とエンジン廃熱回収器へ適正な冷媒量を分流できる。つまり、室外熱交換器を通過する冷媒量を主体としてエンジン廃熱回収器の冷媒量を制御するので、常に室外熱交換器の熱源である外気負荷に応じた冷媒量をエンジン廃熱回収器に分流することができる。

請求項２においては、請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて室外熱交換器の除霜運転が室外機のみで実施できる。この除霜運転では、逆サイクル除霜運転のように室外熱交換器の除霜運転時に室内熱交換器を蒸発器として用いる必要がなく、室内の暖房効果は低下しない。また、室外熱交換器の除霜専用のホットガスバイパス回路を設ける必要がなく、配管系統が簡素化できる。

請求項３においては、請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、外気の低い状況でも高い暖房能力が得られる。なぜなら、エンジン廃熱回収器に導かれる蒸発しやすい状態の冷媒は、過冷却熱交換器によってレシーバに溜まった冷媒液から吸熱できるからである。

請求項４においては、請求項３記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて凝縮水ドレンパンを共通化し、製造コストと製造工数を削減できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路図、図２は本発明の実施形態を示すエンジン駆動式ヒートポンプ室外機の平面概観図である。

本発明に係るエンジン廃熱回収器１５とレシーバ７は、エンジン等により駆動される圧縮機により冷媒を循環させるヒートポンプ装置や冷凍装置などに備えられるものである。まず、エンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路構成について図１を用いて説明する。

エンジン駆動式ヒートポンプは、駆動源としてのエンジン（図示略）から動力を得て冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２の吐出側に接続され冷房時及び暖房時で冷媒の流れを切り換える四方弁３と、冷房時に圧縮機２から四方弁３を介して冷媒が供給される室外熱交換器４と、暖房時に圧縮機２から四方弁３を介して冷媒が供給される室内熱交換器５と、室外熱交換器４及び室内熱交換器５間に配設される室外熱交換用膨張弁６とを有しており、これらで構成される冷媒サイクルを用いるものである。前記四方弁３は電磁切換弁により構成され、制御手段となる制御装置３０と接続され、操作手段３１の操作で暖房・冷房・除霜等の場合に切り換えられる。

前記圧縮機２は、その吸入側からガス冷媒を吸引・圧縮し、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。他方、圧縮機２の吐出側には、吐出ラインを構成する経路９を介して前記四方弁３が接続されており、この経路９にはガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離して圧縮機２の吸入側に戻すためのオイルセパレータ８が設けられている。すなわち、圧縮機２から吐出されるガス冷媒は、オイルセパレータ８を介して前記四方弁３へと流入し、この四方弁３にて所定の方向に導かれる。また、圧縮機２に吸引されるガス冷媒も四方弁３にて導かれるため、圧縮機２の冷媒吸入側と四方弁３とは吸入ラインを構成する経路１０により接続されている。

前記四方弁３は、前記室内熱交換器５の一端側に接続されており、この室内熱交換器５の他端側には、前記冷媒液レシーバ７が接続されている。また、同じく四方弁３には、前記室外熱交換器４が接続されており、この室外熱交換器４と室内熱交換器５とを接続する経路１３には、前記室外熱交換器用膨張弁６が設けられている。

エンジン廃熱回収器１５は、前記室外熱交換器用膨張弁６とレシーバ7 の間から分岐し、経路１０に接続される経路１９に設けられている。該経路１９には、経路１０に向かってエンジン廃熱回収器用膨張弁１２、過冷却熱交換器１１、エンジン廃熱回収器１５の順にて直列に接続されている。前記室外熱交換器用膨張弁６、エンジン廃熱回収器用膨張弁１２、及び後述する室内膨張弁１６は電磁比例弁により構成され、制御手段となる制御装置３０と接続され、開閉制御される。

第一温度センサー２５は前記経路１０において、前記経路１９との接続部よりも、前記圧縮機側に設置されている。他方、第二温度センサー２６は経路１９において前記エンジン廃熱回収器１５と経路１０との接続部の間に設置されている。ここで圧力センサー２７は、経路１０において、前記四方弁３と経路１９の接続部の間に設置されている。前記第一温度センサー２５、第二温度センサー２６、圧力センサー２７は制御手段となる制御装置３０と接続される。

このような冷媒回路構成における冷房時及び暖房時の運転について説明する。冷房運転時においては、圧縮機２にて圧縮され吐出される高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３を介して室外熱交換器４に送られ、この室外熱交換器４で室外ファン１７により送風される外気に放熱することにより凝縮されて、この凝縮熱が室外の空気中に放熱される。ここで、ガス冷媒は気体から液体となる。そして、液化された冷媒は、逆止弁４０ａから液冷媒レシーバ流入口７ａを経て液冷媒レシーバ７内に流入し、さらに液冷媒レシーバ流出口７ｄから逆止弁４０Ｃを経由して室内膨張弁１６に到達し、この室内膨張弁１６で急激に減圧され蒸発しやすい状態となって室内熱交換器５に導かれる。この室内熱交換器５が蒸発器となり、冷媒が室内の空気から蒸発熱を奪い液体から気体へと変化するとともに室内の空気を冷却する。気化した冷媒は、四方弁３を介して経路１０を通り、圧縮機２に吸引されて圧縮された後、再び吐出される。

一方、暖房運転時においては、圧縮機２にて圧縮され吐出される高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３を介して室内熱交換器５に送られ、この室内熱交換器５で室内ファン１８により送風される室内の空気に放熱することにより凝縮されて、この凝縮熱が室内の空気中に放熱され室内の空気を温める。ここで、冷媒は気体から液体となる。そして、液化された冷媒は、逆止弁４０ｂを経て液冷媒レシーバ流入口７ａから液冷媒レシーバ７内に流入し、液冷媒レシーバ流出口７ｄから室外膨張弁６に到達し、この室外膨張弁６で急激に減圧され蒸発しやすい状態となって室外熱交換器４に導かれる。この室外熱交換器４が蒸発器となり、冷媒が室外の空気中から蒸発熱を奪い、冷媒の一部が液体から気体へと変化する。そして、室外熱交換器４を経て気化した冷媒は、四方弁３を介して経路１０を通り、圧縮機２に吸引されて圧縮された後、再び吐出される。

ここで、本発明に係る暖房運転時のエンジン廃熱回収器について説明する。前記レシーバ７から分岐された液冷媒は、経路１９を次のように流れる。即ち、エンジン廃熱回収器用膨張弁１２で減圧された後、液冷媒レシーバ流入口７Ｃよりレシーバ内に設けられた過冷却コイル１１流入して液冷媒レシーバ流出口７ｂを経由してエンジン廃熱回収器１５に導かれる。この過冷却コイル１１及びエンジン廃熱回収器１５が蒸発器となり、冷媒が液冷媒レシーバ７内の液冷媒及びエンジン廃熱から蒸発熱を奪い液体から気体へと変化する。気化した冷媒は、経路１０と合流し、前記圧縮機２に吸引されて圧縮された後、再び吐出される。

ここで、本発明に係る暖房運転時での前記室外熱交換器４と前記エンジン廃熱回収器１５に適正な冷媒量を分流する制御を説明する。冷媒量を制御するのは減圧機構である膨張弁の開度であり、制御装置からの制御信号により制御される。ここでは室外熱交換用膨張弁６の開度が室外熱交換器４を通過する冷媒量を制御し、エンジン廃熱回収器用膨張弁１２の開度がエンジン廃熱回収器１５を通過する冷媒量を制御する。

ここで冷媒量は、温度センサーで検出されたガス冷媒温度と、圧力センサーで検出されたガス冷媒圧力の飽和相当温度の差である過熱度に基づく膨張弁の開度の調整により制御する。つまり、前記経路１０の第一過熱度は前記第一温度センサー２５と圧力センサー２７にて、前記経路１９の第二過熱度は前記第二温度センサー２６と該圧力センサー２７にてそれぞれ検出する。従って、前記室外熱交換器４の冷媒量は、第一過熱度によって検出され室外熱交換器用膨張弁１２の開度にて制御し、他方前記エンジン廃熱回収器１５の冷媒量は、第二過熱度によって検出され前記エンジン廃熱回収器用膨張弁１２の開度にて制御する。具体的制御方法は、制御装置３０に接続した設定器３２により実際の過熱度が設定された過熱度より大きい（過熱運転）と冷媒量が少ないと判断し、膨張弁開度を大きくする。一方、実際の過熱度が設定された過熱度より小さい（湿り運転）と冷媒量が多いと判断し、膨張弁開度を小さくする。

ここで本発明に係る制御は、前記第二過熱度が前記第一過熱度よりも所定値以上となるように制御する構成とする。第一過熱度を冷媒量制御の主体とすることによって、外気を熱源とする室外熱交換器４を通過する冷媒量に応じて、第二過熱度で制御するエンジン廃熱回収器１５を通過する冷媒量を決定している。つまり、外気温度に応じてエンジン廃熱回収器１５の通過する冷媒量を調整できるため、エンジン廃熱回収器１５による圧損の影響を受ける冷媒量を抑制することが可能となる。

次に、本発明に係る前記エンジン廃熱回収器１５を用いた室外熱交換器の除霜運転について説明する。ここでいう除霜運転とは暖房運転時の室外熱交換器に霜などが付着し熱交換能力が低下した場合に、冷媒ガスの凝縮熱を利用し霜を溶かすことをいう。

それでは図１を用いて、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプにおける除霜運転について説明する。圧縮機２にて圧縮され吐出される高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３を介して室外熱交換器４に送られ、この室外熱交換器４で熱交換器に付着した霜を溶かす。ここで、ガス冷媒は凝縮液化される。そして、液化された冷媒は、前記の如く経路１９を通り、エンジン廃熱回収器用膨張弁１２により急激に減圧され蒸発しやすい状態となってエンジン廃熱回収器１５に導かれる。このエンジン廃熱回収器１５が蒸発器となり、冷媒がエンジン廃熱から蒸発熱を奪い液体から気体へと変化する。気化した冷媒は、経路１０と合流し、圧縮機２に吸引されて圧縮された後、再び吐出される。

除霜運転中の冷媒量は、前述したように過熱度を検出し膨張弁の開度にて制御される。つまり、前記第一温度センサー２５で検出されたガス冷媒温度から前記圧力センサー２７で検出した圧力の圧力相当温度を引いた第一過熱度にて、エンジン廃熱回収器用膨張弁１７の開度を制御する。なお用いる温度センサーは第一温度センサー２５でも前記第二温度センサー２６でも構わないとする。

従来、室外熱交換器の除霜運転の種類として、暖房運転時に前記四方弁を切り換え、逆サイクル（冷房運転）させる方法がある（逆サイクル除霜運転）。該除霜運転では室内熱交換器を蒸発器として用いるので、除霜運転中は室内熱交換機が室内温度を吸収し暖房効果を低下させる。さらに、除霜運転の種類として除霜運転専用のホットガスバイパス回路を設けて室外機に導く構成としたものがある。

本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプにおける除霜運転では、室外機のみで室外熱交換器の除霜運転が可能である。つまり、前述の逆サイクル除霜運転のように室内の暖房能力が低下することがない。また、前述の除霜運転専用のホットガスバイパス回路を設ける必要もなく配管を簡素化できる。

次に、前記レシーバで冷媒を過冷却する過冷却熱交換器１１の特徴について説明する。暖房運転中にレシーバ７に溜まった冷媒液は、経路１９を通って廃熱回収器用膨張弁１２にて減圧された冷媒の蒸発によって過冷却される。つまり廃熱回収器用膨張弁１２にて減圧された冷媒は蒸発しやすい状態となって、過冷却熱交換器１１と前記エンジン廃熱回収器１５を通過し、液冷媒及びエンジン廃熱から蒸発熱を奪い液体から気体へと変化する。気化した冷媒は、経路１０と合流し、前記圧縮機２に吸引されて圧縮された後、再び吐出される。すなわち、経路１９においてエンジン廃熱回収器１５の上流に過冷却熱交換器１１を設けることによって、経路１９の熱交換能力を向上することができる。

次に、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプの機器配置について、図2 を用いて説明する。外面に空気中水分の凝縮水が付着する可能性のあるレシーバ７とエンジン廃熱回収器１５を室外機の同室に配置している。これにより、凝縮水ドレンパン２０を共通化することができる。ドレンパン２０に溜まった凝縮水はドレンホース２１によって屋外へ排出される。つまり、レシーバ７とエンジン廃熱回収器１５を別室にすると、それぞれに対してドレンパン及びドレンホースを設ける必要があるが、共通化すれば製造工数と製造コストを削減できる。

本発明の一実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路図。 本発明の実施形態を示すエンジン駆動式ヒートポンプ室外機の平面概観図。

２ 圧縮機
３ 四方弁
４ 室外熱交換器
６ 室外熱交換器用膨張弁
７ レシーバ
１０ 吸入ライン
１１ 過冷却熱交換器
１２ エンジン廃熱回収器用膨張弁
１５ エンジン廃熱回収器
２０ ドレンパン
２５ 第一温度センサー
２６ 第二温度センサー

Claims (4)

1. エンジン冷却水と冷媒の熱交換を行うエンジン廃熱回収器とレシーバを設け、該エンジン廃熱回収器と該レシーバを直列に接続し、該レシーバよりも下流で前記エンジン廃熱回収器と室外熱交換器を並列に配置したエンジン駆動方式ヒートポンプにおいて、
   前記エンジン廃熱回収器の下流側を四方弁と圧縮機を接続する圧縮機吸入ラインに接続し、該接続部よりも圧縮機側に第一温度センサーを設け、前記エンジン廃熱回収器の下流側で前記接続部よりも上流側に第二温度センサーを設け、暖房運転時に室外熱交換器用膨張弁の開度を、前記第一温度センサーで検出する前記室外熱交換器からと、前記エンジン廃熱回収器からの合流冷媒の温度に基づく第一過熱度により制御し、エンジン廃熱回収器用膨張弁の開度を、第二温度センサーで検出する前記エンジン廃熱回収器からの冷媒の温度に基づく第二過熱度が、前記第一過熱度よりも所定値以上となるように制御する構成としたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。
2. 請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、除霜運転時には四方弁と室外熱交換器を連通し、前記エンジン廃熱回収器用膨張弁の開度調整により前記圧縮機吸入ラインにおける冷媒の過熱度を制御し、圧縮機から四方弁、室外熱交換器、レシーバ、エンジン廃熱回収器用膨張弁、エンジン廃熱回収器、そして圧縮機の順に冷媒を循環させる構成としたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。
3. 請求項１記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、レシーバで冷媒を過冷却し、過冷却に利用した冷媒を前記エンジン廃熱回収器に連通する構成としたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。
4. 請求項３記載のエンジン駆動式ヒートポンプにおいて、エンジン廃熱回収器をレシーバと同室に配置する構成としたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ。

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