JP2008292064A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三方弁が故障した場合であっても、エンジンを駆動させつつエンジンの故障を抑制することができる空気調和装置を提供することである。
【解決手段】空気調和装置１００においては、循環経路およびポンプ４によりエンジン２およびラジエータ５、冷媒熱交換器６の間に冷却水が循環される。また、循環経路に介挿された三方弁７によりラジエータ５、冷媒熱交換器６に与える冷却水の流量比が調整される。コントローラユニット１１により三方弁７およびポンプ４の駆動が制御され、三方弁７が故障した場合に、エンジン２を駆動させつつ、冷却水の温度が上昇するように制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンおよび複数の熱交換器との間に冷却媒体を移動させて空調を行う空気調和装置に関する。

従来、ガスエンジンを駆動源としたヒートポンプシステム（ＧＨＰ）において、冷却水回路は、エネルギー利用効率向上を目的として様々な工夫がなされている。

例えば、特許文献１には、空気調和装置について開示されている。この特許文献１記載の空気調和装置においては、冷媒回路に補助蒸発器を設けると共に、冷却水回路には、エンジンを経由した冷却水が室外熱交換器を経由して冷却水ポンプに還流する主冷却経路と、エンジンを経由した冷却水が補助蒸発器を経由して冷却水ポンプに還流する副冷却経路と、冷却水を主冷却経路と副冷却経路とに振り分ける電動三方弁とを設け、冷却水の水温が目標温度よりも低い場合に、冷却水の水温と目標温度との温度差に基づいて、冷却水を主冷却経路及び副冷却経路の双方、或いは、冷却水の全量を副冷却経路に振り分けると共に、冷却水ポンプの回転数を低くするようにしたものである。その結果、ワックス三方弁を用いることなく冷却水の温度を制御可能とするものである。
特開２００６−４６７５５号公報

しかしながら、特許文献１記載の空気調和装置においては、三方弁が故障した場合、特に三方弁が有する３つの弁のうち主冷却経路側の弁が開放された状態で動かなくなった場合には、冷却水の温度が低下してしまう。この低水温の状態が継続されると、ピストンリングの隙間から燃焼行程の際にクランクケース内に進入した燃焼ガス中の水分とオイルとが反応し、スラッジが発生し、オイルの性状が悪化する。オイルの性状が悪化することにより、エンジン各部摩耗および腐蝕促進が進み、エンジン故障となる可能性が大きい。

本発明の目的は、三方弁が故障した場合であっても、エンジンを駆動させつつエンジンの故障を抑制することができる空気調和装置を提供することである。

（１）
本発明に係る空気調和装置は、エンジンおよび複数の熱交換器との間に冷却媒体を移動させて空調を行う空気調和装置であって、エンジンおよび複数の熱交換器の間に冷却媒体を循環可能に配設された循環経路と、循環経路に介挿され、複数の熱交換器に与える冷却媒体の流量比を調整する流量比調整弁と、循環経路に介挿され、冷却媒体を循環させる圧送装置と、冷却媒体の温度を上昇させる冷却媒体温度上昇装置と、流量比調整弁の故障を検出する故障検出装置と、流量比調整弁と圧送手段および冷却媒体温度上昇手段の駆動を制御する制御装置と、を含み、制御装置は、故障検出装置により流量比調整弁の故障が検出された場合、冷却媒体温度上昇装置により冷却媒体の温度を上昇させるように冷却媒体温度上昇装置を制御するものである。

本発明に係る空気調和装置においては、循環経路および圧送装置によりエンジンおよび複数の熱交換器の間に冷却媒体が循環される。また、循環経路に介挿された流量調整弁により複数の熱交換器に与える冷却媒体の流量比が調整される。制御装置により流量調整弁および圧送装置の駆動が制御され、流量調整弁が故障した場合に、冷却媒体の温度が上昇するように制御される。ここで、流量比調整弁とは、三方弁または四方弁等のように入口と複数の出口とを有する場合の複数の出口の流量比を調整する弁を意味し、二方弁は含まれない。

この場合、流量調整弁が故障しても冷却媒体の温度が上昇するように制御されるので、エンジンを駆動させつつ、循環経路を冷却媒体が流れ続け、エンジンが過冷状態になり、エンジン内部のオイル等からスラッジが発生し、エンジンの磨耗または腐食を生じさせることを防止することができる。

（２）
空気調和装置は、冷却媒体の温度を検出することができる冷却媒体温度検出装置と、循環経路における、流量比調整弁の上流側とエンジンの上流側とを接続するバイパス配管と、バイパス配管に介挿され、かつバイパス配管内の冷却媒体の流通を制御するバイパス弁と、をさらに備え、制御装置は、故障検出装置により流量比調整弁の故障が検出された場合、冷却媒体温度検出装置からの温度検出信号に基づいて、バイパス弁によりバイパス配管の冷却媒体の流通を制御することが好ましい。

この場合、エンジン近傍冷却媒体温度検出装置からの温度検出信号に基づいて、エンジンの温度が低下した場合には、バイパス配管に設けられたバイパス弁を制御し、冷却媒体の流通を制御することにより、冷却媒体を熱交換器を流通させずにエンジンへ循環させることができるので、冷却媒体の温度を上昇させるように制御することができる。その結果、エンジンを駆動させつつ、循環経路を冷却媒体が流れ続け、エンジンが過冷状態になり、エンジン内部のオイル等からスラッジが発生し、エンジンの磨耗または腐食を生じさせることを防止することができる。

（３）
エンジンは、点火装置と燃料供給装置とを備え、制御装置は、故障検出装置により流量比調整弁の故障が検出された場合、エンジンの運転状態によって算出される点火装置による点火時期を通常時よりも遅角側に制御するとともに、エンジンの運転状態によって算出される燃料供給装置による燃料噴射量を通常時よりも多くすることが好ましい。

この場合、制御装置は、流量調整弁の故障が検出された場合に、エンジンの運転状態によって算出される点火装置による点火時期を通常時よりも遅角側に制御するとともに、エンジンの運転状態によって算出される燃料供給装置による燃料噴射量を通常時よりも多くすることにより、冷却媒体の温度を上昇させることができ、エンジンを駆動させつつ、循環経路を冷却媒体が流れ続け、エンジンが過冷状態になり、エンジン内部のオイル等からスラッジが発生し、エンジンの磨耗または腐食を生じさせることを防止することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、本実施の形態においては、空気調和装置の一例としてガスヒートポンプ装置を例に挙げて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る一実施の形態に係るガスヒートポンプ装置の一例を示す模式的ブロック図である。

図１に示すように、ガスヒートポンプ装置１００は、排気ガス熱交換器１、ガスエンジン２、オイルタンク３、ポンプ４、ラジエータ５、冷媒熱交換器６、電気三方弁７、冷却水温センサ８、ガバナ９、点火システム１０、コントロールユニット１１、遮蔽弁２０、アラーム２１およびバイパス弁２２を含む。

ガバナ９は、燃料制御弁１２、ミキサー１３、スロットル１４およびスロットルモータ１５を含み、点火システム１０は、カム角センサ１６、点火コイル１７、イグナイタ１８およびクランク角センサ１９を含む。なお、図１に記載したガバナ９は、説明の都合上、簡易的に記載している。

図１のガスヒートポンプ装置１００のガスエンジン２は、冷却水（冷却媒体）を循環させる循環配管を備える。なお、冷却水の代わりに冷却油を用いてもよい。ガスエンジン２において熱を受け取った冷却水は、ポンプ４の駆動により、三方弁７を介してラジエータ５および／または冷媒熱交換器６の内部において熱供受を行い、排気ガス熱交換器１を介してガスエンジン２に循環される。暖房運転時には、冷媒熱交換器６内を流れる冷却水により冷媒を加熱することで熱エネルギーを放出する。また、冷媒熱交換器６は、ラジエータ５よりも放熱量が小さいため、冷却水が冷媒熱交換器６を循環するときの水温低下は、ラジエータ５を循環するときよりも小さく抑えられる。

コントロールユニット１１が三方弁７を制御し、分流割合を制御する。また、循環配管近傍でかつガスエンジン２の側面には、ガスエンジン２から排出される冷却水の温度を検出可能な冷却水温センサ８（サーミスタ）が配設され、当該冷却水温センサ８の検出信号は、コントロールユニット１１に与えられる。コントロールユニット１１は、当該冷却水温センサ８の検出信号に基づいて冷却水の温度が過度に低下したと判断した場合には、アラーム２１に指示する。アラーム２１は、ガスヒートポンプ装置１００の外部の表示部に温度異常を表示させることにより、使用者に温度異常を報知するものである。

また、ガスエンジン２近傍の循環配管で、かつ三方弁７の上流側に、バイパス配管の一端が接続され、バイパス弁２２を介挿して、ポンプ４の上流側にバイパス配管の他端が接続される。当該バイパス弁２２は、コントロールユニット１１からの信号により開閉可能に設けられる。

なお、三方弁７およびポンプ４は、いずれもコントロールユニット１１からの信号により駆動可能に設けられている。

また、ガスエンジン２には、ガスエンジン２内部の潤滑を目的とする潤滑油を備蓄したオイルタンク３から延在して設けられた配管が接続されている。当該配管には、遮断弁２０が介挿されている。当該遮断弁２０は、コントロールユニット１１からの信号により遮蔽可能に設けられている。

次いで、ガスエンジン２には、ガバナ９が設けられており、ガバナ９を構成する燃料制御弁１２を有するミキサー１３により空燃比の制御が行われ、スロットルモータ１５によりスロットル１４が駆動され、吸気量が調整される。

また、ガスエンジン２には、点火システム１０が設けられており、カム角センサ１６およびクランク角センサ１９によりエンジンクランク角およびカム角が検出され、カム角センサ１６およびクランク角センサ１９の検出により、点火コイル１７、イグナイタ１８から、電子的に任意のクランク角で点火が行われる。

次に、説明の便宜上、図１には冷却配管と潤滑油配管についてのみ記載したが、図２は、室内空調機を介して室内の空調を行うための冷媒配管についてのみ記載する。図２は、内燃機関を備えるガスヒートポンプ装置１００の系統図の一例を示す模式図である。

図２に示すガスヒートポンプ装置１００は、都市ガス（天然ガス）を用いた内燃機関（ガスエンジン）によってヒートポンプサイクルを駆動して冷暖房を行うものである。図２は、暖房サイクルとして機能している場合の系統を例示している。

ガスヒートポンプ装置１００は、室外機１０１と室内機１０２とを備えており、室外機１０１は、本実施形態に係る内燃機関（ガスエンジン）２と、内燃機関２によって駆動されるコンプレッサ１０３と、ラジエータ５、熱交換器６と、膨張弁１０６と、を含む。

冷媒は、室内機１０２側の熱交換器で凝縮され、液化することで熱を放出し、室内を暖房する。その後、矢印ａのように流れて、膨張弁１０６を通過して膨張し、低温低圧の液体になる。更に矢印ｂのように流れて、室外機１０１のラジエータ５で蒸発して吸熱し、低温低圧の気体になる。次いで矢印ｃのように流れて、コンプレッサ１０３で圧縮されて高温・高圧の気体になる。その後、矢印ｄのように流れ、再び室内機１０２で液化して熱を放出する。ガスヒートポンプ装置１００では、このような暖房サイクルが反復されている。また、図２では、内燃機関２の排熱を利用して温水を循環し、冷媒と熱交換器６で熱交換を行うサイクルを例示している。

次に、コントロールユニット１１が、三方弁７の故障を判定する手法について説明する。

三方弁７が故障した場合、特に三方弁７のラジエータ５側の弁が開放状態のまま動かなくなってしまった場合、多くの冷却水が継続してラジエータ５に流されることになる。その結果、冷却水の温度が低下する。そして、例えば５０℃以下の状態が一定時間継続した場合に三方弁７の故障と判断する。このように、本実施の形態においては、コントロールユニット１１は、冷却水温センサ８からの温度検出信号に基づいて三方弁７の故障を判定する。

なお、本実施の形態においては、冷却水温センサ８からの温度検出信号に基づいて三方弁７の故障を判定することとしているが、これに限定されず、三方弁７に開度センサを新たに設け、開度センサからの情報により故障を判定してもよく、直流モータにより三方弁７を制御する場合には、過電流の発生により三方弁７の故障を判定することとしてもよく、他の任意の手法により三方弁７の故障を判定してもよい。なお、上記の手法は、いずれか一つを用いるものではなく、複数兼ね備えることにより三方弁７の故障の判定を行ってもよい。

続いて、図３は、コントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号に基づいて、バイパス弁２２を制御する制御信号の一例を示す模式図である。

図３（ａ）は冷却水温センサ８からの検出信号の一例を示し、図３（ｂ）はバイパス弁２２を制御する制御信号の一例を示す。また、図３（ａ）の縦軸は温度を示し、横軸は時間を示し、図３（ｂ）の縦軸は制御信号のオンオフを示し、横軸は時間を示す。また、図３（ａ）と図３（ｂ）の２つの時間軸Ｔは、縮尺が同じで、且つ、それぞれの零点は或る同時刻を示しているものとする。

図３（ａ）に示すように、三方弁７が故障した場合、三方弁７における冷却水の分流制御ができず、冷却水がラジエータ５に多く流れるようになることにより温度低下された状態となる。この状態が継続してコントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号により所定の時間以上継続して冷却水の温度Ｔ０が温度Ｔ１（５０℃）以下であると判定した場合、コントロールユニット１１は、図３（ｂ）に示すように、バイパス弁２２を開放するように制御信号を「ＯＮ」にする。また、その後は、異常時制御として、バイパス弁２２を以下に記載する開閉制御を行う。

一方、コントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号により冷却水の温度Ｔ０が温度Ｔ２（７５℃〜８０℃）以上であると判定した場合、コントロールユニット１１は、図３（ｂ）に示すように、バイパス弁２２を閉塞するように制御信号を「ＯＦＦ」にする。

また、コントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号により冷却水の温度が温度Ｔ１以下であると判定した場合、コントロールユニット１１は、図３（ｂ）に示すように、バイパス弁２２を開放するように制御信号を「ＯＮ」にする。以下、コントロールユニット１１は、これらの制御を繰り返す。

以上により、冷却水の温度Ｔ０が温度Ｔ１（５０℃）以下である場合、冷却水が、ガスエンジン２、バイパス配管、ポンプ４、排気ガス熱交換器１の順に流れ、ガスエンジン２に還流される。それにより、冷却水がラジエータ５および冷媒熱交換器６において熱交換がなされないため、冷却水の温度を上昇させることができる。その結果、冷却水の温度を理想的な５０℃以上７５℃以下程度の範囲に調整することができる。一方、冷却水の温度Ｔ０が温度Ｔ２（例えば７５℃）以上となる場合、冷却水をラジエータ５および冷媒熱交換器６に循環させるよう制御することができるので、冷却水の温度を低下させることができる。バイパス配管に冷却水を流す場合には、室内空調器に流れる冷媒を冷媒熱交換器６により加熱できなくなってしまうが、コンプレッサで冷媒を循環させることにより空気調和器の継続運転が可能となっている。

続いて、三方弁７が故障した場合、コントロールユニット１１は、バイパス弁２２を制御するだけでなく、以下の手法を採用することができる。

コントロールユニット１１には、ガバナ９よおび点火システム１０を制御するためのマップが、ガスヒートポンプ装置１００の運転状態に応じて多種記録されている。このマップには、ガスヒートポンプ装置１００の運転状態に応じて多種記録されている。例えば、通常の運転状態においては、通常運転マップが記録されている。

ここで、予めコントロールユニット１１に、三方弁７が故障した場合に通常運転マップに代わって使用する水温上昇用マップを記録し、保持させておく。水温上昇用マップは、排気ガスの温度を上昇させるためのマップであり、具体的には、点火コイル１７からの点火時期を通常運転時よりも遅延させるようにイグナイタ１８を制御（遅角制御）すること、および、空燃比の燃料比を通常運転時よりも多くするように燃料制御弁１２を制御（リッチ側へ移行）するものである。

それにより、冷却水の水温が低下した場合、通常運転マップから水温上昇用マップに切り替えてガスヒートポンプ装置１００を駆動させることにより、ガスエンジン２から排出される排気ガスの温度が上昇し、排気ガス熱交換器１において冷却水の温度上昇が期待できる。なお、この場合、水温上昇用マップにポンプ４の回転数を低下させ、冷却水の循環流量を低下させることにより、排気ガス熱交換器１における熱交換率を高めるようにしてもよい。

続いて、三方弁７が故障した場合、コントロールユニット１１は、以下の手法を採用することができる。

図４は、コントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号に基づいて、オイルタンク３の位置を制御する状態の一例を示す模式図である。図４（ａ）は制御前の状態を示し、図４（ｂ）は制御後の状態を示す。

図４（ａ）に示すように、オイルタンク３の下部には移動装置３０が設けられている。コントロールユニット１１は通常時には、移動装置３０上で、かつガスエンジン２から最も離れた位置にオイルタンク３を保持する。本実施の形態においては、移動装置３０としてベルトコンベアが使用されている。

一方、図４（ｂ）に示すように、コントロールユニット１１が冷却水温センサ８からの検出信号に基づいて、三方弁７が故障したと判定した場合、コントロールユニット１１は、移動装置３０に指示を与える。移動装置３０は、矢印Ｒの方向に回転し、オイルタンク３をガスエンジン２に近づけるように制御する。この場合、ガスエンジン２およびオイルタンク３とを繋ぐホースが屈曲され（図中２０ａ）、オイル３とガスエンジン２との間を自然流通するオイルの流れを遮ることができる。それにより、ガスエンジン２内において温められたオイルが、オイルタンク３において冷却されることを防止し、ガスエンジン２内の温度を上昇させることができる。その結果、ガスエンジン２の冷却を防止し、ガスエンジン２内を流れる冷却水の温度を上昇させることができる。

以上のように、本発明に係るガスヒートポンプ装置１００においては、コントロールユニット１１により三方弁７が故障した場合でも、ガスエンジン２を駆動させた状態で、冷却水の温度を上昇させるように制御されるので、ガスヒートポンプ装置１００を継続駆動させつつ、循環経路を冷却水が流れ続け、ガスエンジン２が過冷状態になり、ピストンリングの隙間から燃焼工程の際にクランクケース内に進入した燃焼ガス中の水分とオイルとが反応し、ガスエンジン２内部のオイル等からスラッジが発生し、ガスエンジン２の磨耗または腐食を生じさせることを防止することができる。

また、バイパス配管およびバイパス弁２２を制御することにより、冷却水をラジエータ５および冷媒熱交換器６を流通させずにガスエンジン２へ循環させることができるので、冷却水の温度を上昇させるように制御することができる。さらに、通常マップから水温上昇用マップに切り替えてガスエンジン２からの排気温度を上昇させるように燃料制御弁１２および点火システム１０とを制御ことができるので、冷却水の温度を上昇させるように制御することができる。

また、本発明に係るガスヒートポンプ装置１００によれば、ガスエンジン２の故障を防止するだけでなく、ガスヒートポンプ装置１００による空調を緊急停止させず、継続使用することができるという効果が得られる。

上記一実施の形態においては、ガスエンジン２がエンジンに相当し、ラジエータ５および冷媒熱交換器６が複数の熱交換器に相当し、冷却水が冷却媒体に相当し、ガスヒートポンプ装置１００が空気調和装置に相当し、三方弁７が流量比調整弁に相当し、ポンプ４が圧送装置に相当し、コントロールユニット１１が制御装置に相当し、冷却水温センサ８が冷却媒体温度検出装置に相当し、バイパス弁２２がバイパス弁に相当する。

本発明は、上記の好ましい一実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

なお、本発明は、ガスエンジンに限定されず、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンであっても、冷却水の温度が低くなったときにスラッジが発生する可能性のあるエンジンに適用できる。

さらに、本発明は、冷却水に限定されず、冷却媒体として、冷却水以外の媒体を使用することもできる。

本発明に係る一実施の形態に係るガスヒートポンプ装置の一例を示す模式的ブロック図 内燃機関を備えるガスヒートポンプ装置の系統図の一例を示す模式図 コントロールユニットが冷却水温センサからの検出信号に基づいてバイパス弁を制御する制御信号の一例を示す模式図 コントロールユニットが冷却水温センサからの検出信号に基づいてオイルタンクの位置を制御する状態の一例を示す模式図

符号の説明

２ ガスエンジン
４ ポンプ
５ ラジエータ
６ 冷媒熱交換器
７ 三方弁
８ 冷却水温センサ
１１ コントロールユニット
２２ バイパス弁
１００ ガスヒートポンプ装置

Claims (3)

1. エンジンおよび複数の熱交換器との間に冷却媒体を移動させて空調を行う空気調和装置であって、
   前記エンジンおよび前記複数の熱交換器の間に前記冷却媒体を循環可能に配設された循環経路と、
   前記循環経路に介挿され、前記複数の熱交換器に与える前記冷却媒体の流量比を調整する流量比調整弁と、
   前記循環経路に介挿され、前記冷却媒体を循環させる圧送装置と、
   前記冷却媒体の温度を上昇させる冷却媒体温度上昇装置と、
   前記流量比調整弁の故障を検出する故障検出装置と、
   前記流量比調整弁と前記圧送手段および前記冷却媒体温度上昇手段の駆動を制御する制御装置と、を含み、
   前記制御装置は、前記故障検出装置により前記流量比調整弁の故障が検出された場合、前記冷却媒体温度上昇装置により冷却媒体の温度を上昇させるように前記冷却媒体温度上昇装置を制御することを特徴とする空気調和装置。
2. 前記冷却媒体の温度を検出することができる冷却媒体温度検出装置と、
   前記循環経路における、前記流量比調整弁の上流側と前記エンジンの上流側とを接続するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に介挿され、かつ前記バイパス配管内の冷却媒体の流通を制御するバイパス弁と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記故障検出装置により流量比調整弁の故障が検出された場合、前記冷却媒体温度検出装置からの温度検出信号に基づいて、前記バイパス弁により前記バイパス配管の前記冷却媒体の流通を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記エンジンは、点火装置と燃料供給装置とを備え、
   前記制御装置は、前記故障検出装置により流量比調整弁の故障が検出された場合、前記エンジンの運転状態によって算出される前記点火装置による点火時期を通常時よりも遅角側に制御するとともに、エンジンの運転状態によって算出される前記燃料供給装置による燃料噴射量を通常時よりも多くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和装置。

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