JP5821291B2 - エンジン駆動式空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、ガスヒートポンプのエンジンの排気ガスと冷却液との間で熱交換するための排気熱交換器を備えたエンジン駆動式空気調和機に関するものである。

従来、エンジン駆動式空気調和機としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このエンジン駆動式空気調和機は、排気熱交換器の出口温度である排気温度を温度センサで検出して、排気温度が露点温度よりも若干高い設定温度以上になるように制御するものである。具体的には、排気温度に応じて、冷却液を循環させるためのウォーターポンプの回転速度を制御し、あるいは冷却液を放熱するラジエータを空冷するための室外機ファンの回転速度を制御する。これにより、排気熱交換器において冷却液と熱交換する排気ガスの温度（排気温度）を設定温度以上に保つことで、排気ガス中の水分が凝縮することを回避でき、ドレンを中和するための中和器を省略できるとしている。

特開平９−１１３０６０号公報

ところで、特許文献１では、排気温度の維持を優先して冷却液の循環量又は冷却液の空冷度合いを制御するため、例えば冷却液の循環量不足や冷却不足に陥ってエンジンの冷却容量が足りなくなり、オーバーヒートを起こす可能性がある。

本発明の目的は、エンジンの冷却性能を低下することなく、排気ガスの温度を好適に確保することができるエンジン駆動式空気調和機を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記冷媒が該圧縮機に吸入されるまでの流路を形成する冷媒回路と、前記エンジンの冷却液が循環する流路を形成する冷却液回路と、前記エンジンから排出された排気ガスを大気に放出する排気経路と、暖房運転時は前記排気ガスで前記冷却液を温める排気熱交換器と、暖房運転時は前記冷却液で前記冷媒を温めるとともに該冷媒の蒸発器として機能する補助熱交換器と、前記排気経路の前記排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記排気経路に設けられ、前記検出された排気ガスの温度が設定温度を超えるように前記排気経路が有する並列接続の流路をそれぞれ流れる前記排気ガスの流量配分を調整する調整手段とを備えたエンジン駆動式空気調和機において、前記排気経路は、前記エンジンの排気ポートに接続された集合排気流路と、前記集合排気流路の下流側に接続された並列接続の第１排気流路及び第２排気流路とを有し、前記集合排気流路には、前記第１排気流路と前記第２排気流路との分岐部に、流路を切り替える前記調整手段としての切替弁が設けられ、前記排気熱交換器は、前記第１排気流路に設けられた第１の排気熱交換器と、前記集合排気流路に設けられた第２の排気熱交換器とを有し、前記温度センサは、前記集合排気流路のうち、前記第２の排気熱交換器と前記切替弁との間に設けられ、前記切替弁は、暖房運転時、前記温度センサにより検出された排気温度に応じて流路が切り替えられ、前記排気温度が所定温度以下の場合、前記第１の排気熱交換器が設けられていない前記第２排気流路のみに排気ガスを流す、ことを要旨とする。

同構成によれば、暖房運転時、前記排気経路の排気ガスは、前記排気熱交換器において前記冷却液回路を循環する冷却液を温める。そして、前記排気熱交換器で温められた冷却液は、前記補助熱交換器において前記冷媒回路を流れる冷媒を温める。このように、排気ガスの排熱を利用して、蒸発器として機能する前記補助熱交換器において冷媒を温めることができ、暖房運転時の効率を向上することができる。この際、前記調整手段により、前記排気経路が有する並列流路をそれぞれ流れる排気ガスの流量配分を調整することで、前記排気熱交換器における排気ガスの排熱利用の程度、換言すれば、前記排気経路における排気ガスの温度低下の程度が調整される。例えば、第１の排気熱交換器の設けられている第１排気流路により多くの流量の排気ガスを流すことで該排気ガスの温度低下が顕著になり、反対に第２排気流路により多くの流量の排気ガスを流すことで該排気ガスの温度低下が抑えられる。従って、前記調整手段により、前記検出された排気ガスの温度が設定温度（例えば露点温度以上の温度）を超えるように並列流路（第１排気流路、第２排気流路）をそれぞれ流れる排気ガスの流量配分を調整することで、排気ガス中の水分が凝縮することを回避でき、ドレンを中和するための中和器を省略できる。一方、前記冷却液回路を循環する冷却液は、前記排気熱交換器における排気ガスとの熱交換の程度が調整されるものの、その循環量や空冷度合い等が直接的に影響されるものではないため、前記エンジンの冷却容量が足りなくなることはない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンジン駆動式空気調和機において、冷房運転時には、前記第２排気流路のみに排気ガスが流れるように、前記切替弁を切り替える、ことを要旨とする。

本発明では、エンジンの冷却性能を低下することなく、排気ガスの温度を好適に確保することができるエンジン駆動式空気調和機を提供することができる。

本発明の一実施形態のガスヒートポンプの冷媒回路図及び冷却液回路図。 同実施形態のエンジンの排気系統図。

図１〜図２を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１に示すように、ガスヒートポンプ１は、エンジン１０により駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１１と、該圧縮機１１から吐出された冷媒が圧縮機１１に吸入されるまでの流路を形成する冷媒回路１２とを備える。この冷媒回路１２には、冷媒と冷凍機油を分離するオイルセパレータ１３、冷房・暖房の流路に切り替える四方弁１４、室外空気と冷媒との間で熱交換を行う室外機熱交換器１５、冷媒回路１２の冷媒の流量を調整する膨張弁１６、室内空気と冷媒との間で熱交換を行う室内機熱交換器１７、エンジンの冷却液と冷媒との間で熱交換を行う補助熱交換器としてのサブ熱交換器１８、液冷媒とガス冷媒とを分離するアキュムレータ１９などが設けられている。なお、オイルセパレータ１３は、キャピラリーチューブＣＡを介して、圧縮機１１の吸入口及びアキュムレータ１９にそれぞれ接続されている。

一方、エンジン１０の冷却液が循環する流路を形成する冷却液回路２０には、冷却液の流れを作るウォーターポンプ２１、前記サブ熱交換器１８、冷却液を空冷するラジエータ２２、該ラジエータ２２に向かう冷却液の流量とサブ熱交換器１８に向かう冷却液の流量とバイパス流路２３に向かう冷却液の流量とを自動的にコントロールするサーモスタット２４，２６、冷却液とエンジン１０の排気ガスとの間で熱交換を行う排気熱交換部２５などが設けられている。すなわち、サーモスタット２４，２６は、冷却液の温度に応じてラジエータ２２に向かう冷却液の流量とサブ熱交換器１８に向かう冷却液の流量とバイパス流路２３に向かう冷却液の流量とを調節する。

具体的には、冷却液温度Ｔが所定の低側温度Ｔ１（例えば５０°Ｃ）以下の場合には、エンジン１０を通過した冷却液が主としてバイパス流路２３を介してウォーターポンプ２１に戻る。また、冷却液温度Ｔが低側温度Ｔ１を超え、かつ所定の高側温度Ｔ２（例えば７０°Ｃ）以下の場合には、エンジン１０を通過した冷却液が主として、サブ熱交換器１８を介してウォーターポンプ２１に戻る。さらに、冷却液温度Ｔが高側温度Ｔ２を超える場合には、エンジン１０を通過した冷却液が主としてラジエータ２２を介してウォーターポンプ２１に戻る。

なお、ラジエータ２２の下流側に設けられたラジエータ・キャップ２７は、ラジエータ２２内の圧力を調節することにより冷却液の蒸発量を少なくするものであり、その圧力は大気圧より高く設定される。また、ラジエータ・キャップ２７の上流側で分岐して設けられたリザーブ・タンク２８は、冷却液の蒸気が冷えて液体に戻ったものを溜めるものである。

ここで、ガスヒートポンプ１の空気調和機が冷房運転を行うときは、四方弁１４により流路の切り替えられた冷媒回路１２にて冷房サイクルが行われる。すなわち、圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒は、四方弁１４を介して室外機熱交換器１５へと流入する。このとき、凝縮器としての室外機熱交換器１５では、室外空気と冷媒との間で熱交換を行うことにより、冷媒が凝縮される。そして、室外機熱交換器１５を流出した冷媒は室内側に導かれ、膨張弁１６で膨張した後に、室内機熱交換器１７へと流入する。このとき、蒸発器としての室内機熱交換器１７では、室内空気と冷媒との間で熱交換を行うことにより、冷媒が加熱されて蒸発する一方、冷媒の蒸発熱により室内空気が冷却されて冷風となり、冷房効果が生じる。さらに、室内機熱交換器１７を流出した冷媒は室外側に導かれ、四方弁１３を介してアキュムレータ１９へと流入するとともに、該アキュムレータ１９で液冷媒が分離された後に圧縮機１１に戻る。

一方、ガスヒートポンプ１の空気調和機が暖房運転を行うときは、四方弁１４により流路の切り替えられた冷媒回路１２にて暖房サイクルが行われる。すなわち、圧縮機１１で高温・高圧となった冷媒は、四方弁１４を介して室内側に導かれ、室内機熱交換器１７へと流入する。このとき、凝縮器としての室内機熱交換器１７では、室内空気と冷媒との間で熱交換を行うことにより、冷媒が凝縮する一方、冷媒の凝縮熱により室内空気が加熱されて温風となり、暖房効果が生じる。そして、室内機熱交換器１７を流出した冷媒は、膨張弁１６で膨張した後に室外側に導かれ、室外機熱交換器１５へと流入する。このとき、蒸発器としての室外機熱交換器１５では、室外空気と冷媒との間で熱交換を行うことにより、冷媒が加熱されて蒸発する。あるいは、室外側に導かれた冷媒は、サブ熱交換器１８へと流入する。このとき、蒸発器としてのサブ熱交換器１８では、冷却液と冷媒との間で熱交換を行うことにより、冷媒が加熱されて蒸発する。そして、室外機熱交換器１５やサブ熱交換器１８を流出した冷媒は、四方弁１４を介してアキュムレータ１９で液冷媒が分離された後に圧縮機１１に戻る。

これらの際、冷却液は、ウォーターポンプ２１によって排気熱交換部２５に送り出されて排気ガスで温められ、更にエンジン１０で温められる。そして、運転開始時等で温度が低いときは、冷却液は、サーモスタット２４によりバイパス流路２３を介してウォーターポンプ２１に戻る。また、排気熱交換部２５等で温められる冷却液は、温度が上昇してくると、サーモスタット２４，２６によりサブ熱交換器１８を介してウォーターポンプ２１に戻る。さらに、排気熱交換部２５等で温められる冷却液は、温度が更に上昇してくると、サーモスタット２４，２６によりラジエータ２２を介してウォーターポンプ２１に戻る。

なお、サーモスタット２４によりバイパス流路２３に導かれた冷却液は、排気熱交換部２５におけるエンジン１０の排気ガスとの間の熱交換を繰り返すことで円滑に加熱される。また、サーモスタット２４，２６によりサブ熱交換器１８に導かれた冷却液は、該サブ熱交換器１８において冷媒との熱交換に供せられて該冷媒を加熱する。これにより、暖房時は冷媒を温めて暖房能力を向上させる。さらに、サーモスタット２４，２６によりラジエータ２２に導かれた冷却液は、室外空気との間で熱交換することで放熱される。

ここで、室外機熱交換器１５及びラジエータ２２の近傍には、室外機ファン２９が設けられている。この室外機ファン２９は、室外機熱交換器１５における室外空気と冷媒との熱交換を促進するために該室外機熱交換器１５に空気を送り、あるいはラジエータ２２における室外空気と冷却液との熱交換を促進するために該ラジエータ２２に空気を送るためのものである。

次に、エンジン１０の排気系統について概略的に説明する。なお、エンジン１０は、そのシリンダ（燃焼室）に供給される燃料ガス及び吸入空気の混合気を燃焼することで、前記圧縮機１１等の駆動力を発生する。そして、エンジン１０は、混合気の燃焼に伴い排出される排気ガスを排気系統を通じて大気に放出する。

図２に示すように、エンジン１０の排気ガスを大気に放出するための排気経路４０には、前記排気熱交換部２５と、マフラー４１とが配設されている。そして、排気熱交換部２５は、エンジン１０の排気ポートに接続された集合排気流路４２と、該集合排気流路４２の下流側に接続された並列接続の第１排気流路４３及び第２排気流路４４とを有する。排気熱交換部２５は、並列流路を構成する第１及び第２排気流路４３，４４が合流するそれらの下流側でマフラー４１に接続されている。

図２に冷却液回路２０を破線にて併せて示したように、第１排気流路４３には、冷却液との間で熱交換を行う排気熱交換器としての第１の排気熱交換器４５が設けられている。また、集合排気流路４２には、同じく冷却液との間で熱交換を行う第２の排気熱交換器４６が設けられている。そして、第１及び第２排気流路４３，４４が合流するそれらの上流側には、これら第１及び第２排気流路４３，４４を択一的に切り替える調整手段としての切替弁４７が設けられている。

従って、切替弁４７により集合排気流路４２が第１排気流路４３に連通するように切り替えられている状態では、エンジン１０の排気ガスは、１段目となる第２の排気熱交換器４６及び２段目となる第１の排気熱交換器４５を順次通ってマフラー４１を介して大気に放出される。このとき、例えば暖房運転時には、第１及び第２の排気熱交換器４５，４６により冷却液がより大きく暖められる一方で、排気ガスがより大きく温度低下する。

反対に、切替弁４７により集合排気流路４２が第１の排気熱交換器４５を迂回する第２排気流路４４に連通するように切り替えられている状態では、エンジン１０の排気ガスは、１段目となる第２の排気熱交換器４６のみを通ってマフラー４１を介して大気に放出される。このとき、例えば暖房運転時には、第２の排気熱交換器４６のみにより冷却液が暖められることで、排気ガスの温度低下が抑えられる。

ここで、集合排気流路４２には、第２の排気熱交換器４６及び切替弁４７間で排気ガスの温度である排気温度Ｔｘを検出するための温度センサ４８が設けられている。切替弁４７及び温度センサ４８は、各種制御を司るマイコン５０に電気的に接続されている。マイコン５０は、温度センサ４８により検出された排気温度Ｔｘに応じて切替弁４７を駆動制御する。具体的には、マイコン５０は、検出された排気温度Ｔｘが設定温度Ｔｔｈを超える場合には、排気ガスが第１及び第２の排気熱交換器４５，４６を通るように、即ち第１排気流路４３が開放されるように切替弁４７を切り替える。なお、設定温度Ｔｔｈは、露点温度に相関する所定温度であって、第１の排気熱交換器４５に排気ガスを通してもこれに伴う温度低下で排気ガス中の水分が凝縮しない温度となっている。一方、マイコン５０は、検出された排気温度Ｔｘが設定温度Ｔｔｈを下回る場合には、排気ガス中の水分の凝縮を回避すべく、該排気ガスが第２の排気熱交換器４６のみを通るように、即ち第２排気流路４４が開放されるように切替弁４７を切り替える。

次に、本実施形態の動作について説明する。
冷房運転時には、基本的に排気ガスの排熱を利用しないことから、第１の排気熱交換器４５を迂回する第２排気流路４４が常時開放されるように切替弁４７を切り替える。この場合、冷却液回路２０を循環する冷却液は、第１の排気熱交換器４５では排気ガスとの熱交換で加熱されることがないため、例えばラジエータ２２で必要な冷却液の放熱量が低減される。

一方、暖房運転時、排気経路４０の排気ガスは、排気熱交換部２５において冷却液回路２０を循環する冷却液を温める。そして、排気熱交換部２５で温められた冷却液は、サブ熱交換器１８において冷媒回路１２を流れる冷媒を温める。このように、排気ガスの排熱を利用して、蒸発器として機能するサブ熱交換器１８において冷媒を温めることができ、暖房運転時の効率を向上することができる。

この際、切替弁４７により、第１及び第２排気流路４３，４４を択一的に切り替えることで、排気熱交換部２５における排気ガスの排熱利用の程度、換言すれば、排気経路４０における排気ガスの温度低下の程度が調整される。例えば、第１の排気熱交換器４５の設けられている第１排気流路４３にのみ排気ガスを流すことで該排気ガスの温度低下が顕著になり、反対に第１の排気熱交換器４５の設けられていない第２排気流路４４にのみ排気ガスを流すことで該排気ガスの温度低下が抑えられる。本実施形態では、切替弁４７により、排気温度Ｔｘが設定温度Ｔｔｈを超えるように第１及び第２排気流路４３，４４を切り替えることで、排気ガス中の水分の凝縮を回避している。具体的には、低負荷運転時、排気ガスを第１の排気熱交換器４５に通すことで露点温度以下に下がる条件下では、切替弁４７により第１の排気熱交換器４５を迂回させる。また、高負荷運転時、排気ガスを第１の排気熱交換器４５に通しても露点温度以下に下がらない条件下では、切替弁４７により第１の排気熱交換器４５に通させる。

なお、冷却液回路２０を循環する冷却液は、排気熱交換部２５における排気ガスとの熱交換の程度が調整されるものの、その循環量や空冷度合い等が直接的に影響されるものではないため、エンジン１０の冷却容量が足りなくなることはない。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、切替弁４７により、排気温度Ｔｘが設定温度Ｔｔｈを超えるように第１及び第２排気流路４３，４４をそれぞれ流れる排気ガスの流量配分を調整することで（第１及び第２排気流路４３，４４を択一的に切り替えることで）、排気ガス中の水分が凝縮することを回避できる。そして、ドレンを中和するための中和器や気液分離装置などを省略できる。一方、冷却液回路２０を循環する冷却液は、第１の排気熱交換器４５における排気ガスとの熱交換の程度が１００％又は０％に調整されるものの、その循環量や空冷度合い等が直接的に影響されるものではないため、エンジン１０の冷却容量が足りなくなることはない。

一方、冷房運転時には、基本的に排気ガスの排熱を利用しないことから、第１の排気熱交換器４５を迂回する第２排気流路４４が常時開放されるように切替弁４７を切り替える。この場合、冷却液回路２０を循環する冷却液は、第１の排気熱交換器４５では排気ガスとの熱交換で加熱されることがないため、例えばラジエータ２２で必要な冷却液の放熱量を低減でき、ひいてはラジエータ２２をより小型化できる。

（２）本実施形態では、第１及び第２排気流路４３，４４の上流側で排気経路４０（集合排気流路４２）に第２の排気熱交換器４６を設けたことで、暖房運転時、第２の排気熱交換器４６において排気ガスで冷却液を温めることができ、特に排気ガスの温度が十分に高いときの暖房運転時の効率をいっそう向上することができる。

（３）本実施形態では、調整手段として、第１及び第２排気流路４３，４４を択一的に切り替える切替弁４７を採用した。これにより、暖房運転時、排気ガスは、切替弁４７による第１及び第２排気流路４３，４４の択一的な切り替えによって、第１及び第２の排気熱交換器４５，４６の両方で冷却液を温めることができ、あるいは第２の排気熱交換器４６のみで冷却液を温めることができる。つまり、切替弁４７の切替操作による極めて簡易な構成で、排気経路４０における排気ガスの温度低下の程度を調整することができる。

（４）近年、ガスヒートポンプ１において負荷率（効率）を上げるために通常運転時のエンジン１０の回転速度を低減することが望まれており、その分、排気ガスの温度が低下気味となっている。本実施形態では、前述の態様で排気ガス中の水分が凝縮することを回避しながらも、このような使用上の要望にも応えることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態において、温度センサ４８は、第１及び第２排気流路４３，４４が合流するそれらの下流側に設けられていてもよい。

・前記実施形態において、第２の排気熱交換器４６は、第１及び第２排気流路４３，４４が合流するそれらの下流側に設けられていてもよい。
・前記実施形態において、第２の排気熱交換器４６を割愛してもよい。この場合、切替弁４７に代えて、第１及び第２排気流路４３，４４をそれぞれ流れる排気ガスの流量配分を任意に調整可能な調整手段としての流量調整弁を採用することがより好ましい。

・前記実施形態において、三つ以上の並列流路を配設してもよい。この場合、これら並列流路の全てに排気熱交換器（第１の排気熱交換器）を設けてもよいし、これら並列流路のうちの一つを除く全てに排気熱交換器を設けてもよい。

・前記実施形態において、エンジン１０の排気ガスがマフラー４１に達するまでに通過する排気熱交換器の段数を３段以上にしてもよい。
・前記実施形態において、ウォーターポンプ２１による冷却液の循環量は、エンジン１０の冷却容量に影響を及ぼさない範囲で調節してもよい。

１…ガスヒートポンプ、１０…エンジン、１１…圧縮機、１２…冷媒回路、１５…室外機熱交換器、１８…サブ熱交換器（補助熱交換器）、２０…冷却液回路、２５…排気熱交換器、４０…排気経路、４１…マフラー、４２…集合排気流路、４３…第１排気流路（並列流路）、４４…第２排気流路（並列流路）、４５…第１の排気熱交換器（排気熱交換器）、４６…第２の排気熱交換器、４７…切替弁（調整手段）、４８…温度センサ、５０…マイコン（調整手段）。

Claims (2)

1. エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された前記冷媒が該圧縮機に吸入されるまでの流路を形成する冷媒回路と、
   前記エンジンの冷却液が循環する流路を形成する冷却液回路と、
   前記エンジンから排出された排気ガスを大気に放出する排気経路と、
   暖房運転時は前記排気ガスで前記冷却液を温める排気熱交換器と、
   暖房運転時は前記冷却液で前記冷媒を温めるとともに該冷媒の蒸発器として機能する補助熱交換器と、
   前記排気経路の前記排気ガスの温度を検出する温度センサと、
   前記排気経路に設けられ、前記検出された排気ガスの温度が設定温度を超えるように前記排気経路が有する並列接続の流路をそれぞれ流れる前記排気ガスの流量配分を調整する調整手段と
   を備えたエンジン駆動式空気調和機において、
   前記排気経路は、前記エンジンの排気ポートに接続された集合排気流路と、前記集合排気流路の下流側に接続された並列接続の第１排気流路及び第２排気流路とを有し、
   前記集合排気流路には、前記第１排気流路と前記第２排気流路との分岐部に、流路を切り替える前記調整手段としての切替弁が設けられ、
   前記排気熱交換器は、前記第１排気流路に設けられた第１の排気熱交換器と、前記集合排気流路に設けられた第２の排気熱交換器とを有し、
   前記温度センサは、前記集合排気流路のうち、前記第２の排気熱交換器と前記切替弁との間に設けられ、
   前記切替弁は、暖房運転時、前記温度センサにより検出された排気温度に応じて流路が切り替えられ、前記排気温度が所定温度以下の場合、前記第１の排気熱交換器が設けられていない前記第２排気流路のみに排気ガスを流す、ことを特徴とするエンジン駆動式空気調和機。
2. 請求項１に記載のエンジン駆動式空気調和機において、
   冷房運転時には、前記第２排気流路のみに排気ガスが流れるように、前記切替弁を切り替える、ことを特徴とするエンジン駆動式空気調和機。

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