JPS6256427B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、都市ガスや灯油等の燃焼エネルギー
を原動力とする熱機関を用いて圧縮機を駆動して
暖房を行う暖房装置に関するものである。

〔従来技術〕

近年、省エネルギー的観点等より、都市ガスや
灯油等の燃焼エネルギーによるヒートポンプによ
り冷暖房を行う冷暖房装置の開発が盛んである。
このヒートポンプは燃焼エネルギーによりエンジ
ン等を運転し、これによりヒートポンプ用圧縮機
を駆動して冷暖房を行うものであり、暖房時エン
ジンの排熱を暖房に利用することができるので、
電動式ヒートポンプより、省エネルギーである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら従来のエンジン駆動の排熱回収式
ヒートポンプにおいては次の如き問題点があつ
た。

即ち、従来のヒートポンプにおいては、外気温
度が非常に低い時や、降雪時には、外気側熱交換
器における蒸発温度が低下し、冷媒ガスの比体積
が著しく増大して冷媒循環量が激減して暖房能力
が異常に低下し、また着霜を生じて使用不可能に
なることがある。このような場合にヒートポンプ
による負荷温水の加熱ができなくなるばかりでな
く、ヒートポンプ負荷が小なることによりエンジ
ンを定格回転数で回転せしめることができず、圧
縮機を止めた場合は、その排熱を利用することが
できず、また、エンジンのみ回転せしめるとして
も負荷がないのでアイドリング運転となるため、
排熱量も減少し、結局、暖房容量は、汲み上げる
べき外気の熱が減少した分だけの熱にとどまら
ず、ヒートポンプが運転できないことによるヒー
トポンプ加熱分の減少とエンジンの排熱量の減少
とが相まつて暖房容量の低下が甚だしい、という
問題点があつた。

また、このような外気温異常低下時の対策とし
て、実公昭51―35632号公報に示された技術も知
られているが、この場合には、外気温が異常に低
下したときのエンジンの排熱の利用は、外気を介
して、蒸発器を加熱するにとどまり、放熱損が大
きく、また負荷流体である車内空気を排熱で加熱
せず、しかもさらに、外気からの熱の汲み上げを
並行して行うこともできず、それだけ負荷流体の
加熱量が少なく、また、外気温が通常であるとき
にはエンジンの排熱を利用するものではなく、排
熱回収が良好に行われていない、という問題点が
あつた。

また、実公昭52―22735号公報に示された如き
ものもあるが、外気温が通常の場合において外気
からの熱の汲み上げが行われておらず、熱の回収
量が少なく、また、外気温が異常に低下した場合
においては、エンジンの排熱の利用はヒートポン
プの蒸発器を熱するにとどまり、負荷流体である
室内空気を加熱せず、しかも外気からの熱の汲み
上げを並行して行うことができず、それだけ室内
空気の加熱量が少ない、という問題点があつた。

さらに、これらの問題点を解決するために、外
気側熱交換器と並列に補助蒸発器を配備したもの
が提案されているが、補助蒸発器に導かれる冷媒
が必要以上に多くなり、蒸発量が増大することに
より蒸発温度、蒸発圧力が上昇し、外気との温度
差がなくなり外気からの熱の取り入れが不足して
成積係数（COP）が低下する、という問題点が
あつた。

本発明は、従来のものの上記の問題点を解決し
て外気温が異常に低下したときにもヒートポンプ
サイクルを作動せしめ、かつ着霜を防ぎ、負荷流
体を加熱すると共に排熱によつても作動流体を加
熱し、COPを最良となし、なお不足熱量を回転
数の上昇で補つて暖房容量の低下を防ぎ、かつ、
外気温が通常の温度である場合においてもヒート
ポンプと共に熱機関の排熱により負荷流体を加熱
し、熱利用効率を向上せしめる暖房装置を提供す
ることを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、熱機関により駆動される圧縮機、外
気側熱交換器、負荷側熱交換器、膨張装置及びこ
れらの機器を接続する冷媒経路よりなるヒートポ
ンプと、前記熱機関からの排熱を回収する排熱回
収装置とを備えた暖房装置において、前記冷媒経
路に前記外気側熱交換器に並列に配備された補助
蒸発器と、前記排熱回収装置及び前記負荷側熱交
換器に負荷流体を導く負荷流体経路と、前記補助
蒸発器に負荷流体又は排熱媒体を導く補助熱源経
路と、外気温を直接的又は間接的に検出する外気
温度検出装置と、得られた検出値を設定値と比較
し、かつ、外気温が所定の異常低温度以下である
ときに、該検出値に基づいて、前記外気側熱交換
器と前記補助蒸発器とへの冷媒流量比を制御する
流量比制御装置と、負荷を検出する負荷検出装置
と、得られた検出値を設定値と比較し、かつ、負
荷が過大であるときに、該検出値に基づいて、前
記熱機関の回転数を制御する回転数制御装置とを
備えたことを特徴とする暖房装置である。

〔実施例〕

本発明を実施例につき図面を用いて説明する。
図面に示された冷房兼用の暖房装置において、１
は圧縮機、３は外気側熱交換器、７は負荷側熱交
換器、９は膨張装置としての膨張弁で、各機器を
冷媒経路で接続してヒートポンプが形成されてい
る。なお、冷媒経路には四方弁２、膨張弁６、チ
エツキ弁４，８が配備されて冷房運転に切換可能
に形成されている。５はレシーバーである。

ヒートポンプには、さらに外気側熱交換器３と
並列に補助蒸発器２３が配備されている。本実施
例ではレシーバー５と膨張弁９との間の冷媒経路
から外気側熱交換器３と四方弁２との間に冷媒経
路を接続する冷媒経路が外気側熱交換器３をバイ
パスするバイパス経路３７として分岐配備され、
該バイパス経路３７にバイパス弁２１と膨張弁２
２と補助蒸発器２３が配備されている。

２５は圧縮機１を駆動する熱機関として用いら
れているエンジンで、エンジン２５からの排熱を
回収する排熱回収装置として例えばジヤケツト１
１や排ガス熱交換器１４を備えている。

負荷流体を負荷側熱交換器７に導く負荷流体経
路には負荷側熱交換器７をバイパスする負荷流体
経路がバイパス経路１９として分岐配備されてい
る。バイパス経路１９はエンジン２５のジヤケツ
ト１１、冷却媒体冷却器１０、排ガス熱交換器１
４を通過するように設けられているが、冷却媒体
冷却器１０をバイパスし補助蒸発器２３を通過す
る補助熱源経路１６が分岐配備されている。１２
はポンプ、１３は三方弁、１５，１７，１８は三
方切換弁、２０は電磁弁である。

上述の如く形成された暖房装置はさらに外気温
を直接的又は間接的に検出する外気温検出装置
と、得られた検出値を設定値と比較し、かつ、外
気温が所定の異常低温度以下であるときに、該検
出値に基づいて、外気側熱交換器３と補助蒸発器
２３とへの冷媒流量比を制御する流量比制御装置
と、負荷を検出する負荷検出装置と、得られた検
出値を設定値と比較し、かつ、負荷が過大である
ときに、該検出値に基づいて、エンジン２５の回
転数を制御する回転数制御装置とが備えられてい
る。外気温検出装置としては、外気温度（温度検
出器２７）、蒸発圧力（圧力検出器２８）又は蒸
発温度（温度検出器３０）などの如き外気温度関
連物理量の検出装置、即ち外気温を直接的又は間
接的に検出する検出装置が用いられ、負荷検出装
置としては負荷の検出即ち負荷量の検出を行うも
のであればよく、負荷流体（温水）の入口温度、
出口温度（温度検出器２６）又は出入口温度差な
どの検出装置が用いられる。流量比制御装置は制
御機構とバイパス弁２１とからなり、回転数制御
装置は制御機構と回転数調節装置３８とからなつ
ている。流量比制御装置の制御機構及び回転数制
御装置の制御機構は、前者は外気温検出装置、後
者は負荷検出装置により得られた検出値を設定値
と比較し、前者は外気温が所定の異常低温度以下
であるときに後者は負荷が過大であるときに、検
出値に基づいて、流量比又は回転数を制御するも
のである。即ち検出装置からの信号を、予め定め
られた設定値と比較し、フイードバツクを行うか
或いは予め定められたプログラムに従つて、入力
信号に対応する信号を出力し、この出力信号によ
り、それぞれバイパス弁２１又は回転数調節装置
３８を所定の流量比又は回転数とする制御を行う
ものである。回転数制御装置としては、例えば、
検出された負荷温度の温度信号を電圧信号に変換
する制御機構と、この電圧信号をガバナーに送
り、ガバナナモータによりエンジン２５のスロツ
トルバルブを操作する回転数調節装置３８とが設
けられ、負荷温度が一定になるように制御するよ
うにしてある。

しかして、ヒートポンプサイクルの通常時は一
般の電動式空気熱源ヒートポンプと同様である。
即ち夏期冷房時においては、冷媒は圧縮機１→四
方弁２→外気側熱交換器３（凝縮器として作動）
→チエツキ弁４→レシーバー５→膨張弁６→負荷
側熱交換器７（蒸発器として作動）→四方弁２→
圧縮機１の順序で循環し、負荷側熱交換器７にお
いて冷水を冷却する。

暖房時においては四方弁２を切り換えて冷媒の
経路を変え、圧縮機１→四方弁２→負荷側熱交換
器７（凝縮器として作用）チエツキ弁８→レシー
バー５→膨張弁９→外気側熱交換器３（蒸発器と
して作用）→四方弁２→圧縮機１の順序で循環
し、負荷側熱交換器７において温水を加熱するよ
うになつている。

一方エンジン２５側サイクルは次のようになつ
ている。冷房時、ジヤケツト１１よりの排熱は冷
却媒体冷却器１０により外気により冷却される。
即ち、ジヤケツト１１を冷却して加熱された冷却
媒体はポンプ１２により吸込まれ、冷却媒体冷却
器１０に送られ、ここで冷却される。そして三方
弁１３を経由して、再びジヤケツト１１に供給さ
れる。なお、温度検出器２４によりこの冷却媒体
の温度が検出され、三方弁１３により排ガス熱交
換器１４のバイパス量が制御され、適温の冷却水
が、ジヤケツト１１に供給される。

暖房時は三方切替弁１５，１７，１８が切替え
られ、また電磁弁２０が開となりエンジン２５よ
りの排熱は温水加熱に供せられる。即ちジヤケツ
ト１１を冷却して加熱された冷却水（負荷温水の
一部）はポンプ１２によりバイパス経路１９に吸
い込まれ、三方切替弁１５、補助熱源経路１６を
通り補助蒸発器２３を通過し、その後、三方切替
弁１７を介して、排ガス熱交換器１４に送られ、
排ガスにより更に加熱される。

加熱された温水は三方切替弁１８を介して、負
荷側熱交換器７よりの温水と合流して、負荷加熱
に供せられる。温度の下つた負荷温水は電磁弁２
０を通り、再びジヤケツト１１の冷却に供せられ
る。なお負荷が少ないとき、ジヤケツト１１に供
給される温水温度が高過ぎる場合があるので、こ
の供給温度は温度検出器２４により検出され、三
方調節弁１３により、大略一定温度になるように
調節される。

通常暖房負荷は冷暖負荷より小さいので、暖房
時は、冷房時に比べてエンジン２５の回転数を低
く設定するようにしてもよい。

このようにすれば、後述の如く異常低温時に回
転数を上昇せしめるための余裕を持たせることが
容易となる。

暖房時に、外気温が十分高い通常時には、バイ
パス弁２１を閉じ、冷媒の全量を外気側熱交換器
３に導き、ヒートポンプの熱源を外気のみより取
る。外気温が或る程度低下すると暖房能力が低下
するので、回転数制御装置により、即ち、負荷流
体の温度の検出値に基づいてエンジン２５の回転
数を回転数調節装置３８により自動的に制御し
て、上昇せしめる。前述の如く、暖房時の回転数
を冷房時の回転数より低く設定するようにした装
置においても、この場合はその設定回転数より回
転数を上昇せしめる。

さらに外気温が低下して、外気温が所定の異常
低温度例えば外気側熱交換器３に着霜が頻繁に現
れるようになる温度以下であることが検出される
と、着霜を防ぐために流量比制御装置が作動し、
外気側熱交換器３と補助蒸発器２３とがそれぞれ
負担する負荷の負荷比の制御を行つてヒートポン
プに必要な熱を、外気から優先して取り込み、こ
れにより、その外気温度条件における成積係数を
最良のものとし、不足する熱を補助蒸発器２３に
おいて温水から取り込み、こられの熱により蒸発
作用を行うことにより形成されるヒートポンプに
より負荷温水を加熱し、同時にエンジン排熱によ
り負荷温水を加熱する。そこでなお過大な負荷に
対し不足する熱は、回転数制御装置によりエンジ
ン２５の回転数を通常時より上昇せしめて得られ
た余剰の出力又は排熱を直接又は間接的に利用し
て補充して取り込む。

外気温度が極度に異常低下した場合には、バイ
パス弁２１は全開となり、殆んどの負荷は補助蒸
発器２３が負担することになる。外気側熱交換器
３の経路にも開閉弁を設けてもよい。

以上の如く、必要熱量を外気から優先して取り
込むように流量比制御装置により流量比を制御
し、不足分を補助蒸発器２３において温水から取
り込み、さらに不足分をエンジン２５の回転数の
上昇により取り込むようにすることにより、着霜
を防ぎ、COPの良好な暖房サイクル運転を行
い、しかも暖房能力の低下を生じないようにする
ことができる。即ちCOPを最良にするために
は、熱は外気からできるだけ取り入れるのがよい
が、外気温が低い場合には異常着霜を生ずるの
で、着霜が異常状態にならない程度の最低の温度
となるように冷媒流量を外気側熱交換器３と補助
蒸発器２３とに分配するのである。

制御方式の例につき説明する。図面には各種の
制御方式が示されているが、これは全部同時に設
けられ、又は作動するという意味ではなく、便宜
上同一図面に記入したものであり、各制御方式が
単独、又は適宜組み合わされて使用されるもので
ある。

回転数制御装置により負荷に応じて暖房能力を
適合させる制御は、例えば、負荷検出装置とし
て、戻り経路の温水温度の温度検出器２６を用
い、その信号に基づいて制御機構３９と回転数調
節装置３８によりエンジン２５の回転数を制御し
て戻り温水温度をほぼ一定に保つようにする。

流量比制御装置による外気側熱交換器３と補助
蒸発器２３との負担負荷の負荷比制御、即ち両者
の流量比制御は、バイパス弁２１の流量制御によ
り行われ、例えば次の如き方式で行われる。

外気温検出装置として温度検出器２７を用いた
ときは制御機構４０により、圧力検出器２８を用
いたときは制御機構４２により、温度検出器３０
を用いたときは制御機構４１により、蒸発圧力又
は蒸発温度がそのときの外気温度に対し着霜を生
じない蒸発温度を与え、かつCOPが最大となる
ような所定の値となるようにバイパス弁２１の流
量制御を行う。

或いは別の制御方式として、予め組まれたプロ
グラムにより制御を行つてもよい。例えば、外気
温度（温度検出器２７）とバイパス弁２１の開度
との間のプログラム、蒸発圧力（圧力検出器２
８）とバイパス弁２１の開度との間のプログラ
ム、負荷（温度検出器３２、エンジン回転数検出
器又は冷却水の温度検出器３１）と外気温度（温
度検出器２７）との信号の組み合わせとバイパス
弁２１の開度との間のプログラム（制御機構３３
又は３４を用いる）、負荷（温度検出器３２、エ
ンジン回転数検出器又は冷却水の温度検出器３
１）と蒸発圧力（圧力検出器２９）との信号の組
み合わせとバイパス弁２１の開度との間のプログ
ラム（制御機構３５を用いる）などによる制御で
ある。

或いは別の制御方式として、外気温度（温度検
出器２７）と蒸発温度（温度検出器３０）との温
度差を検出し制御機構３６によりバイパス弁２１
の開度を、プログラムにより、或いは、蒸発温度
又は蒸発圧力が前述の如き所定の値になるように
制御してもよい。こ方式が他の方式より一層好ま
しい。

以上に述べた種々の外気温検出装置（温度検出
器２７，３１、圧力検出器２８，２９）は外気温
度に関連する外気温度関連物理量を検出、即ち外
気温を直接的又は間接的に検出するものであり、
このほか、例えば圧縮機１の吸込み圧（蒸発圧力
とほぼ同じ）を検出してもよい。

補助蒸発器２３の加熱源は、上述のほか直接排
熱を利用してもよく、また、負荷側熱交換器７
（凝縮器）の入口又は出口の温水により加熱して
もよい。即ち、補助熱源経路１６に直接排熱媒体
を導いたり、直接温水を導いたりすることもでき
る。

以上の実施例は、上記の如く構成され作用する
ので、外気温が異常に低下しても、外気側熱交換
器３に着霜を生じたり、COPの低下を招いて能
力低下を来たすようなことはなく、しかも特別に
ボイラなどの加熱設備を必要としない利点があ
る。

なお、本装置は、その発明の目的より暖房装置
であるが、図示の実施例の如く冷房暖房兼用機で
あつてもよい。しかし、広義のヒートポンプの一
つである冷房専用機とは無関係である。

〔発明の効果〕

本発明により、次の如き特別顕著な効果を有す
る暖房装置を提供することができる。

(1) 外気温が異常に低下した場合に、 (a) 通常の外気温の場合に用いる外気側熱交換
器と並列に挿入された補助蒸発器に負荷流体
と冷媒とを同時に導いた状態となし、冷媒を
負荷流体により加熱して蒸発せしめ比体積の
小なる冷媒ガスを発生せしめると共に着霜を
防止してヒートポンプサイクルの動作を可能
となし、このヒートポンプサイクルにより負
荷側熱交換器において負荷流体を加熱し、補
助蒸発器で奪われた熱以上の多量の熱を負荷
流体に与え、負荷流体を有効に加熱する。

(b) 負荷流体の一部が熱機関の排熱により直接
加熱されるようになつているので、負荷流体
の加熱量は一層大となり、また回収熱の放散
も少ない。

(c) (a)の如く、ヒートポンプサイクルの作動を
可能とすることにより、熱機関をアイドリン
グ状態ではなく定格負荷或いはそれに近い状
態で運転せしめるので、排熱量は多量とな
り、(a)と合わせて負荷流体の加熱量は大とな
る。

(d) 補助蒸発器で負荷流体から加熱されると同
時に、外気側熱交換器においても外気からの
熱の汲み上げが可能であり、ヒートポンプに
おける負荷流体の加熱量を増大せしめ得る。

(e) 熱機関の回転数を上昇せしめ、ヒートポン
プの容量、即ち、ヒートポンプの加熱量と、
排熱による加熱量とを増大せしめる。

(f) このように負荷流体の加熱をできるだけ行
つて、暖房容量の低下を防止する。

(g) しかも着霜が防止できて安定した運転を行
なう。

(h) COPを最良の値に保つことができる。

(2) 外気温が通常の温度である場合 (a) 外気から熱を汲み上げてヒートポンプサイ
クルを作動せしめて負荷流体を加熱すると同
時に、熱機関の排熱により負荷流体の一部を
加熱して熱利用率の向上をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のフロー図である。 １…圧縮機、２…四方弁、３…外気側熱交換
器、４…チエツキ弁、５…レシーバー、６…膨張
弁、７…負荷側熱交換器、８…チエツキ弁、９…
膨張弁、１０…冷却器、１１…ジヤケツト、１２
…ポンプ、１３…三方弁、１４…排ガス熱交換
器、１５…三方切替弁、１６…補助熱源経路、１
７…三方切替弁、１８…三方切替弁、１９…バイ
パス経路、２０…電磁弁、２１…バイパス弁、２
２…膨張弁、２３…補助蒸発器、２４…温度検出
器、２５…エンジン、２６，２７…温度検出器、
２８，２９…圧力検出器、３０，３１，３２…温
度検出器、３３，３４，３５，３６…制御機構、
３７…バイパス経路、３８…回転数調節装置、３
９，４０，４１，４２…制御機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱機関により駆動される圧縮機、外気側熱交
   換器、負荷側熱交換器、膨張装置及びこれらの機
   器を接続する冷媒経路よりなるヒートポンプと、
   前記熱機関からの排熱を回収する排熱回収装置と
   を備えた暖房装置において、前記冷媒経路に前記
   外気側熱交換器に並列に配備された補助蒸発器
   と、前記排熱回収装置及び前記負荷側熱交換器に
   負荷流体を導く負荷流体経路と、前記補助蒸発器
   に負荷流体又は排熱媒体を導く補助熱源経路と、
   外気温を直接的又は間接的に検出する外気温検出
   装置と、得られた検出値を設定値と比較し、か
   つ、外気温が所定の異常低温度以下であるとき
   に、該検出値に基づいて、前記外気側熱交換器と
   前記補助蒸発器とへの冷媒流量比を制御する流量
   比制御装置と、負荷を検出する負荷検出装置と、
   得られた検出値を設定値と比較し、かつ、負荷が
   過大であるときに、該検出値に基づいて、前記熱
   機関の回転数を制御する回転数制御装置とを備え
   たことを特徴とする暖房装置。 ２ 前記負荷検出装置が、負荷流体の温度を検出
   する温度検出器である特許請求の範囲第１項記載
   の装置。