JP2009008307A

JP2009008307A - ヒートポンプシステム及びその制御方法

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Publication number: JP2009008307A
Application number: JP2007168682A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murakami; 上高村; Masahiro Oka; 雅博岡; Takeshi Yokoyama; 山武横; Sadayasu Nakano; 野定康中
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】コンプレッサの駆動源である内燃機関の排熱を有効利用して、冷却水或いは冷媒を加熱して、冷却水温度が１０℃以下に低下した場合にも確実に作動するヒートポンプをさらに改良することを目的としている。
【解決手段】冷媒循環系統（Ｌｃ）と、エンジン排熱循環系統（Ｌｈ）と、エンジン排熱温度計測装置（Ｓｔ３）と、冷却水が循環する冷却水循環系統（Ｌｗ）とを有し、冷媒循環系統（Ｌｃ）には、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向を切り換える切換装置（Ｖ１）と、冷媒と冷却水とで熱交換を行う第１の熱交換器（４）と、冷媒の流れを第１の熱交換器（４）側とバイパスライン（Ｌｃｂ）側とで切り換える冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）とが介装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調で用いられるヒートポンプシステムに関する。より詳細には、本発明は、機械的な機械的駆動源（例えば、ガスエンジンの様な内燃機関）を駆動源とする圧縮機械（コンプレッサ）を有し、室外機が冷却水により冷却される水冷式のヒートポンプシステムに関する。

図８に、ヒートポンプシステムの一般的な構成を示す。
図８において、ヒートポンプシステムの暖房運転時には、コンプレッサ２０から吐出された高圧気相冷媒が室内機３０に流入し、その気化熱及び顕熱を室内空気に投入する。その後、室内機３０から流出した冷媒は室外器４０に流入し、室外器４０で加熱されて低圧気相冷媒となる。室外器４０から流出された低圧気相冷媒はコンプレッサ２０に吸引され、コンプレッサ２０で再び圧縮され、室内機３０に向かって吐出される。

この様なヒートポンプシステムでは、電動式モータをコンプレッサの駆動源とする電動式ヒートポンプ（ＥＨＰ）が一般的である。これに対して、近年、内燃機関（例えばガスエンジン）をコンプレッサの駆動源とするヒートポンプ（ガスヒートポンプ：ＧＨＰ）が提案されている。

図９は、電動式モータをコンプレッサの駆動源とするヒートポンプ（ＥＨＰ）の１例を示している。図９のヒートポンプ（ＥＨＰ）は、冷却塔５０を含む冷却水循環系統Ｌｗにボイラー６０を介装し、冷却水温度が低下し過ぎてしまった場合（１０℃以下）には、ボイラー６０を運転して、冷却水を加温して対処している。図９における符号３５は、室内ユニットを、符号９０は循環ポンプを示している。

図８で示す様な従来のヒートポンプ２００では、冷却水温度が１０℃〜３２℃の範囲で正常に運転する様に設定されている。
そのため、例えば図９で示す水冷ＥＨＰシステムでは、冷却水温度が１０℃以下に低下した場合には、冷却水系統に介装されたボイラー６０等の加熱手段により、冷却水を加熱する必要があった。

しかし、このようなボイラー６０の運転或いは燃焼に用いられるエネルギーは、空調には何等寄与するものではなく、「無駄な」エネルギーを消費することになってしまう、という問題を有している。
また、図８で示す様に、室外機４０を連通する冷却水系統に、複数の空調機器３７が接続されている場合には、冷房運転中の空調機器３７から放熱される熱量により、冷却水系統を循環する冷却水が加熱されて、高温となる場合が存在する。その様な高温の冷却水が保有する熱量を有効利用する技術は、従来は提案されていない。

その他の従来技術としては、冷却水加熱手段を設け、蒸発器の液相冷媒が凍結する可能性がある場合に、冷却水を加熱して昇温し、以って、蒸発器における冷媒の凍結を防止した吸収式冷凍サイクル装置が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）は吸収式の冷凍機に適用されるものであり、コンプレッサをガスエンジン等で駆動するタイプの水冷ヒートポンプシステムには、適用することが困難である。従って、上述した従来技術の問題点を解決することは出来ない。

上述した問題に対処するために、出願人は、先に、コンプレッサの駆動源である内燃機関（例えばガスエンジン）の排熱を有効利用して、冷却水或いは冷媒を加熱して、冷却水温度が１０℃以下に低下した場合にも確実に作動するヒートポンプを提案している。
特許第２６５０６５４号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、コンプレッサの駆動源である内燃機関（例えばガスエンジン）の排熱を有効利用して、冷却水或いは冷媒を加熱して、冷却水温度が１０℃以下に低下した場合にも確実に作動するヒートポンプを、さらに改良することを目的としている。

本発明のヒートポンプシステムは、機械的駆動源（例えば、ガスエンジンの様な内燃機関１）により駆動する圧縮機械（コンプレッサ２）を有し、室外機（熱交換器４）が冷却水（外部冷却水）により冷却される（水冷式の）ヒートポンプシステムにおいて、冷媒が循環する冷媒循環系統（Ｌｃ）と、機械的駆動源（例えば、ガスエンジンの様な内燃機関１）の排熱が流れる循環系統（エンジン排熱循環系統Ｌｈ）と、排熱の温度を計測する排熱温度計測装置（排熱温度センサＳｔ３）と、冷却水が循環する冷却水循環系統（外部循環系統Ｌｗ）とを有し、
冷媒循環系統（Ｌｃ）には、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向を切り換える切換装置（四方弁Ｖ１）と、冷媒と冷却水とで熱交換を行う第１の熱交換器（冷媒・水熱交換器４）と、第１の熱交換器（４）をバイパスするバイパスライン（Ｌｃｂ）と、冷媒の流れを第１の熱交換器（４）側とバイパスライン（Ｌｃｂ）側とで切り換える冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）が介装されており、冷却水循環系統（外部循環系統Ｌｗ）には、冷却水温度を計測する計測装置（温度センサＳｔ１、Ｓｔ２）が介装されており、機械的駆動源（例えば、ガスエンジンの様な内燃機関１）の排熱（エンジン排熱）が流れる循環系統（エンジン排熱循環系統Ｌｈ）には、排熱を冷却水（外部冷却水）に投入する第２の熱交換器（熱交換器６）と、機械的駆動源（１）の排熱（エンジン排熱）を冷媒に投入する第３の熱交換器（排熱回収器７）と、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）が介装されており、排熱用切換手段（三方弁Ｖ２）は、排熱を第２の熱交換器（熱交換器６）側に流し及び／又は第３の熱交換器（排熱回収器７）側に流す様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。

本発明の実施に際して、制御装置（コントロールユニット１０）を備え、制御装置（１０）は、計測装置（温度センサＳｔ１、Ｓｔ２）で計測された冷却水温度（外部循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水温度）に基いて、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を、冷媒が第１の熱交換器（４）を流れる側或いは冷媒がバイパスライン（Ｌｃｂ）を流れる側に切り換え、且つ、計測装置（温度センサＳｔ１、Ｓｔ２）で計測された冷却水温度（外部循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水温度）及び排熱温度計測装置（排熱温度センサＳｔ３）で計測された排熱温度に基いて、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を、排熱が第２の熱交換器（熱交換器６）を流れる側及び／又は第３の熱交換器（排熱回収器７）を流れる側に切り換える制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項２）。

より具体的には、前記制御装置（１０）は、暖房運転の際に、計測装置（温度センサＳＴ１、ＳＴ２）で計測された冷却水温度（外部循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水温度）と、排熱温度計測装置（排熱温度センサＳｔ３）で計測された排熱温度（エンジン排熱温度）に基づいて、冷却水温度が閾値（ｔ_０）以上の高温の場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒が第１の熱交換器（４）を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第２の熱交換器（熱交換器６）を流れる側に切り換え（ステップＳ５に相当）、冷却水温度が閾値（ｔ０）よりも低温であるが、排熱温度と冷却水温度との温度差（排熱温度の方が冷却水温度よりも高温）が所定値以内である場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒がバイパスライン（Ｌｃｂ）を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第３の熱交換器（排熱回収器７）を流れる側に切り換え（ステップＳ８に相当）、冷却水温度が閾値（ｔ０）よりも低温であり、排熱温度と冷却水温度との温度差（排熱温度の方が冷却水温度よりも高温）が所定値よりも大きい場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒がバイパスライン（Ｌｃｂ）を流れる側に切り換えると共に、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第２の熱交換器（熱交換器６）及び第３の熱交換器（排熱回収器７）の双方を流れる様に切り換える（ステップＳ９に相当）、する制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項３）。
ここで、「排熱温度と冷却水温度との温度差」に代えて、排熱温度を制御のパラメータとすることも可能である（図７参照）。

係るヒートポンプシステム（請求項３のヒートポンプシステム）を制御する本発明の制御方法は、冷房運転を行うか暖房運転を行うかを決定する工程（Ｓ１）と、暖房運転の際に、計測装置（温度センサＳｔ１、Ｓｔ２）により冷却水温度（外部循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水温度）を計測する工程（Ｓ３）と、排熱温度計測装置（排熱温度センサＳｔ３）により排熱温度（エンジン排熱温度）を計測する工程と（Ｓ６）、冷却水温度が閾値（ｔ_０）以上の高温の場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒が第１の熱交換器（４）を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第２の熱交換器（熱交換器６）を流れる側に切り換える工程（Ｓ５）と、冷却水温度が閾値（ｔ_０）よりも低温であるが、排熱温度と冷却水温度との温度差（排熱温度の方が冷却水温度よりも高温）が所定値以内である場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒がバイパスライン（Ｌｃｂ）を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第３の熱交換器（排熱回収器７）を流れる側に切り換える工程（Ｓ８）と、冷却水温度が閾値（ｔ_０）よりも低温であり、排熱温度と冷却水温度との温度差（排熱温度の方が冷却水温度よりも高温）が所定値よりも大きい場合に、冷媒用切換装置（三方弁Ｖ６）を冷媒がバイパスライン（Ｌｃｂ）を流れる側に切り換えると共に、排熱用切換装置（三方弁Ｖ２）を排熱が第２の熱交換器（熱交換器６）及び第３の熱交換器（排熱回収器７）の双方を流れる様に切り換える工程（Ｓ９）、とを有することを特徴としている（請求項４）。
「排熱温度と冷却水温度との温度差」に代えて、排熱温度を制御のパラメータとすることも可能である（図７参照）。

上述する構成を具備する本発明のヒートポンプにおいて、冷却水循環系（外部冷却水循環系Ｌｗ）を複数の空調機器と共通しており、複数の他の空調機器（３７）が冷房運転を行っている場合に、当該複数の空調機器（３７）から放熱される熱量によって、冷却水循環系（Ｌｗ）を流れる冷却水の水温（外部冷却水温度）が非常に高温となる場合が存在する。
係る場合において、当該高温となった冷却水により冷媒を加熱する様に構成すれば、複数の他の空調機器（冷房運転を行っている他の空調機器３７：冷凍機を含む）が放熱した熱量を暖房に有効利用することが出来て、大変に効率的である。
本発明を適用するヒートポンプにのみ注目すれば、冷媒を循環させている圧縮機の駆動源である内燃機関（ガスエンジン１）の排熱により冷媒を加熱する場合に比較して、冷媒の循環には関与しない他の空調機器であって、冷房運転を行っている空調機器が放熱した熱量を有効利用すれば、冷房運転を行っている空調機器が放熱した熱量は冷媒の循環には関与しないので、効率を大幅に向上させることが出来る。

ここで、複数の他の空調機器（冷房運転を行っている他の空調機器３７）が放熱した熱量がさほど大量ではない場合には、冷媒を循環させている圧縮機（２）の駆動源である内燃機関（ガスエンジン１）の排熱により冷媒を加熱する方が、効率が高くなる場合が存在する。
上述した構成を有する本発明によれば、その様な場合にも対応することが可能である。

その様な場合（ガスエンジン１の排熱により冷媒を加熱する方が効率が高い場合）において、排熱量が多過ぎる場合には、冷媒を加熱するのみでは排熱を消費して排熱温度を低下させることが出来ず、圧縮機（２）の駆動源である内燃機関（ガスエンジン１）をオーバーヒートさせてしまう可能性が存在する。
上述した本発明によれば、その様な場合には、排熱（エンジン排熱）の一部で冷媒を加熱すると共に、残りの排熱を冷却水に廃棄することが可能である。これにより、冷媒を加熱すると共に、圧縮機駆動源（１）のオーバーヒートを未然に防止することが可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
最初に図１を参照しつつ、図示の実施形態の構成を説明する。

図１において、全体を符号１００で示すヒートポンプシステムは、機械的動力源であるガスエンジン（エンジン）１と、コンプレッサ２と、図１の例では３台の室内機３と、冷媒・水熱交換器４（熱交換器４）と、冷却塔５と、第１の熱交換器６（熱交換器６）と第２の熱交換器７（排熱回収器７）とを有している。
ガスエンジン１は、動力伝達系統１１を介して、コンプレッサ２を駆動するように構成されている。

ヒートポンプシステム１００は、冷媒が循環する冷媒循環系統Ｌｃと、ガスエンジン１の排熱（ガスエンジン１の冷却水）が流れる排熱循環系統Ｌｈと、外部冷却水が流れる冷却水循環系統（外部冷却水循環系統）Ｌｗと、四方弁Ｖ１と、三つの三方弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６を備えている。

冷媒循環系統Ｌｃは、ラインＬｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ２３１、Ｌｃ２３２、Ｌｃ３、Ｌｃ４、Ｌｃ５、Ｌ６、Ｌｃ７及びバイパスラインＬｃｂで構成されている。そして冷媒循環系統Ｌｃ内には、四方弁Ｖ１と三方弁Ｖ６とが介装されている。
四方弁Ｖ１は、４つのポートＰ１〜Ｐ４を有しており、ポート同士の接続（連通関係）を切り換えることが出来る様に構成されている。

ラインＬｃ１は、コンプレッサ２の吐出口２ｏと四方弁Ｖ１のＰ１ポートを接続している。ラインＬｃ２は、四方弁Ｖ１のＰ２ポートと分岐点Ｂ２を接続している。ラインＬｃ２３１は、分岐点Ｂ２と熱交換器４を接続している。ラインＬｃ２３２は、熱交換器４と三方弁Ｖ６とを接続している。
ラインＬｃ３は、三方弁Ｖ６と分岐点Ｂ１とを接続している。ラインＬｃ４は、図示の例では３本存在し、３本のラインＬｃの各々には室内機３が介装されている。そして、各ラインＬｃ４は、分岐点Ｂ１と合流点Ｇ１を接続している。
ラインＬｃ５は、合流点Ｇ１と四方弁Ｖ１のポートＰ４を接続している。ラインＬｃ６は、四方弁Ｖ１のポートＰ３と排熱回収器７を接続している。ラインＬｃ７は、排熱回収器７とコンプレッサ２の吸入口２ｉを接続している。バイパスラインＬｂｃは、分岐点Ｂ２と三方弁Ｖ６とを接続している。

排熱循環系統Ｌｈは、エンジン１の冷却水循環系統として構成されており、ラインＬｈ１、Ｌｈ２、Ｌｈ３、Ｌｈ４、Ｌｈ５、Ｌｈ６、Ｌｈ７、Ｌｈ８、Ｌｈ９を有している。
排熱循環系統Ｌｈ内には、循環ポンプ８と二つの三方弁Ｖ２、Ｖ３が介装されている。
ここで、エンジン１内には温度センサＳｔ３が設けられており、温度センサＳｔ３はエンジン排熱（エンジン１の冷却水）の温度を計測する様に構成されている。
温度センサＳｔ３は、後述するコントロールユニット１０と、入力信号ラインＳｉ３により接続されている。

ラインＬｈ１は、エンジン１と三方弁Ｖ３とを接続している。ラインＬｈ２は、三方弁Ｖ３と三方弁Ｖ２とを接続している。ラインＬｈ３は、三方弁Ｖ３と合流点Ｇ２とを接続している。ラインＬｈ４は、三方弁Ｖ２と熱交換器６とを接続している。ラインＬｈ５は、三方弁Ｖ２と排熱回収器７とを接続している。ラインＬｈ６は、熱交換器６と合流点Ｇ２とを接続している。ラインＬｈ７は、排熱回収器７と合流点Ｇ３とを接続している。ラインＬｈ８は、合流点Ｇ２と合流点Ｇ３とを接続している。ラインＬｈ９は、合流点Ｇ３とエンジン１を接続し、循環ポンプ８を介装している。

三方弁Ｖ３は機械式の弁、例えばワックス弁により構成されている。三方弁Ｖ３は、ガスエンジン１の始動時において、エンジン排熱（エンジン冷却水）温度が低い場合は、ラインＬｈ３側に連通する。そして、ラインＬｈ３側に連通することによって、エンジン排熱が熱交換器６、或いは排熱回収器７をバイパスする様に構成されている。
また、三方弁Ｖ３は、エンジン排熱温度が上昇した場合には三方弁Ｖ２側に連通し、エンジン排熱が三方弁Ｖ２を経由して、エンジン排熱が熱交換器６或いは排熱回収器７を流れる様に構成されている。

三方弁Ｖ３における排熱ラインの切換は、エンジン排熱温度に依存して機械的に行われ、電子的な制御を行うものではない。
三方弁Ｖ３を係る構成とすることにより、始動時のエンジン排熱温度が低い場合には、エンジン排熱は、冷媒或いは冷却塔５で冷却された冷却水と熱交換を行うことなくガスエンジン１に戻されるので、エンジン排熱温度が速やかに昇温する。

ガスエンジン始動時の様にガスエンジンの温度が低いと、エンジンオイルの粘度が上昇して、エンジンに悪影響を及ぼす恐れがある。そのため、エンジン冷却水温度を早期に上昇させる必要がある。
三方弁Ｖ３を上述した様な機械的な構造として、エンジン排熱温度が速やかに昇温させることにより、エンジンオイルの粘度の上昇を防止して、エンジンの悪影響を防止することが出来るのである。

熱交換器４は室外機に相当する機器であり、排熱循環系統Ｌｈを循環するエンジン排熱と、外部循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水とが熱交換をする様に構成されている。熱交換器４は、図２を参照して後述する場合（外部冷却水が保有する熱量を利用するヒートポンプとして運転する場合）において、外部冷却水が保有する熱量により冷媒を加熱する作用を奏する。
一方、エンジン排熱を利用して冷媒を加熱する場合（図３、図４を参照して後述する場合）には、冷媒は熱交換器４内を流れない。

熱交換器６は、エンジン排熱を外部冷却水に投入するラジエータとして作用する。
図２を参照して後述するが、図示の実施形態が、外部冷却水の熱量を利用するヒートポンプとして運転される場合に、冷媒の加熱は外部冷却水により行われ、エンジン排熱は利用されない。その様な場合に、エンジン排熱を排出しないガスエンジンがオーバーヒートを起こす可能性がある。
そこで、熱交換器６を水冷ラジエータとして作用せしめ、エンジン排熱を外部冷却水に投入（廃棄）することにより、エンジン１のオーバーヒートを防止するのである。

排熱回収器７は、図３を参照して後述する場合において、エンジン排熱と冷媒とを熱交換せしめ、エンジン排熱を冷媒に投入する作用を奏する機器である。
なお、図２を参照して後述する場合（外部冷却水が保有する熱量を利用するヒートポンプとして運転する場合）には、エンジン排熱は熱交換器６側を流れ、排熱回収器７にはされない。従って、図２で後述する場合には、冷媒は排熱回収器７において熱交換は行わず、いわゆる「素通り」をする。

冷却水循環系統Ｌｗは、冷却塔５、循環ポンプ９を有し、ラインＬｗ１、Ｌｗ２、Ｌｗ３で構成されている。ラインＬｗ１は、第２の温度センサＳｔ２を介装し、冷却塔５と熱交換器６を接続している。ラインＬｗ２は、熱交換器６と熱交換器４とを接続している。ラインＬｗ３は、冷却水ポンプ９と第１の温度センサＳｔ１を介装し、熱交換器４と冷却塔５とを接続している。ラインＬｗ３における冷却水ポンプ９と温度センサＳｔ１との間の領域には分岐点Ｂ３が形成されている。
温度センサＳｔ１、Ｓｔ２は、外部冷却水温度を計測するために設けられ、外部冷却水の温度は、後述する空調機器３７から投入される熱量により変動する。

冷却水循環系統Ｌｗ３において、冷却水ポンプ９の吐出側には、空調機器（冷房運転可能な空調機器：冷房負荷）３７が設けられている。空調機器３７は、複数の空調機器で構成されるが、冷房運転時に放熱される熱量が多い場合には、単一の空調機器であっても良い。分岐点Ｂ３に、空調機器３７が冷房運転をしている際に放熱がされる冷却水系統Ｌｄが接続されている。
図示の簡略化のため、図１〜図５において、冷房運転可能な複数の空調機器３７は単一のブロックで表現されており、その冷却水系統Ｌｄも単一のラインで表現されている。なお、空調機器３７は、吸収式冷凍機であっても、圧縮式冷凍機であっても良い。

上述したように、冷却水ポンプ９の吐出側から熱交換器４との間の領域に空調機器３７が接続されており、冷房運転している空調機器３７から放熱される熱量が、冷却水系統Ｌｄを介して外部循環系統Ｌｗ内を循環する外部冷却水に投入されることにより、外部冷却水温度は上昇する。
そして、外部冷却水温度がしきい値ｔ_０よりも高温となり、エンジン排熱により冷媒を加熱するよりも、外部冷却水で加熱するほうが有利であると判断されれば、図２を参照して後述する様に、外部冷却水の保有する熱量が、熱交換器４を介して冷媒に投入される。

図２は、図１で示すヒートポンプシステム１０１を、暖房運転している場合の状態を示している。
図１に関する説明で記載した様に、図２の暖房運転は、空調機器３７が冷房運転している際に放熱される熱量により外部冷却水温度が十分に上昇し、冷媒の加熱を外部冷却水により行う方が、エンジン排熱で冷媒を加熱するよりも良好であると判断された場合に行われる。

以下、図２に基づいて、複数の空調機器３７が冷房運転を行っている際に放熱される熱量により外部冷却水温度が十分に上昇し、冷媒の加熱を外部冷却水により行う方が、エンジン排熱で加熱するよりも良好であると判断された場合における暖房運転を説明する。
なお図２〜図５において、冷媒の流れは太い実線と太い矢印とを組み合わせて表現しており、エンジン排熱の流れを太い１点鎖線で示し、冷却水循環系統Ｌｗにおける冷却水の流れは太い点線で示している。

図２の暖房運転時には、四方弁Ｖ１は、ポートＰ１とポートＰ４とが連通し、ポートＰ２とポートＰ３とが連通している。
また、三方弁Ｖ２は、ラインＬｈ２とラインＬｈ４とを連通して、エンジン排熱を熱交換器６側へ流している。
三方弁Ｖ６は、ラインＬｃ３とラインＬｃ２３２とを連通して、冷媒を熱交換器４へ流している。

冷媒循環系統Ｌｃでは、暖房運転時に、コンプレッサ２で圧縮された高圧気相冷媒は、コンプレッサ２の吐出口２ｏからラインＬｃ１に吐出されて、四方弁Ｖ１のポートＰ１に入る。そして、高圧気相冷媒はポートＰ４からラインＬｃ５、合流点Ｇ１経由でラインＬｃ４の室内機３に流入する。
高圧気相冷媒は、室内機３において、その潜熱及び顕熱を暖房を行う室内へ投入し、室内の空気を暖める。室内空気を暖めた冷媒は降温・減圧して（低圧液相冷媒、或いは低圧の２相流となり）、分岐点Ｂ１、ラインＬｃ３、三方弁Ｖ６、ラインＬｃ２３２経由で熱交換器４に流入する。

熱交換器４内に流入した冷媒は、熱交換器４内で、冷却水循環系統Ｌｗを流れる冷却水と熱交換を行う。上述した様に、冷却水循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水は、冷房運転を行っている空調機器３７が放熱する熱量により高温となっており、高温の外部冷却水が保有する熱量が冷媒に投入され、冷媒を蒸発して、低圧気相冷媒とする。
低圧気相冷媒は、ラインＬｃ２３１、ラインＬｃ２、四方弁Ｖ１、ラインＬｃ６経由で、排熱回収器７に入る。上述した通り、エンジン排熱は排熱回収器７を流れないので、低圧気相冷媒は排熱回収器７内を素通りして、ラインＬｃ７経由でコンプレッサ２に戻される。以下、同様のサイクルを行う。

排熱循環系統Ｌｈを流れる高温のエンジン冷却水は、エンジン１からラインＬｈ１、三方弁Ｖ３、ラインＬｈ２、三方弁Ｖ２、ラインＬｈ４を経由して、熱交換器６に流入する。熱交換器６に流入したエンジン冷却水は、熱交換器６内で、冷媒循環系統Ｌｃを流れる外部冷却水にエンジン排熱を投入する。換言すれば、冷媒循環系統Ｌｃを流れる外部冷却水にエンジン排熱を廃棄する。これにより、エンジン排熱は冷却される。
熱交換器６で冷却されたエンジン冷却水は、ラインＬｈ６、合流点Ｇ２、ラインＬｈ８、合流点Ｇ３、ラインＬｈ９経由でガスエンジン１に戻される。

暖房運転時であっても、冷却水循環系統（外部冷却水循環系統）Ｌｗでは、冷却水ポンプ９は作動している。
熱交換器６で排熱循環系統Ｌｈからエンジン排熱を廃棄（投入）された外部冷却水は、冷却塔５で冷却される。冷却塔５で冷却された外部冷却水は、ラインＬｗ３を流れる際に、冷房運転中の空調機器３７が放熱した熱量により十分に昇温され、熱交換器４において、冷媒循環系Ｌｃを流れる冷媒に対して、その保有する熱量を投入する。

熱交換器４で冷媒循環系Ｌｃを加熱して降温した外部冷却水は、ラインＬｗ２経由で熱交換器６に流入し、再びエンジン排熱により加熱される。

図３は、外部冷却水温度が比較的低温であり、エンジン排熱により冷媒を加熱する方が良いと判断された場合の暖房運転を示している。
図３に基づいて、エンジン排熱により冷媒を加熱する方が、外部冷却水により冷媒を加熱するよりも良いと判断された場合における、暖房運転時の作動を説明する。

図３において、三方弁Ｖ２は、ラインＬｈ２とラインＬｈ５とを連通させて、エンジン排熱を排熱回収器７側に流している。
三方弁Ｖ６は、ラインＬｃ３とバイパスラインＬｂｃとを連通させている。

三方弁Ｖ６がラインＬｃ３とバイパスラインＬｂｃとを連通させるため、冷媒循環系統Ｌｃでは、冷媒は熱交換器４側を流れず、バイパスラインＬｂｃ側を流れる。すなわち、冷媒は熱交換器４をバイパスする。
それ以外については、冷媒の流れは図２と同様である。

排熱循環系統Ｌｈを流れる高温のエンジン排熱（エンジン冷却水）は、エンジン１からラインＬｈ１、三方弁Ｖ３、ラインＬｈ２、三方弁Ｖ２、ラインＬｈ５を経由して、排熱回収器７に流入する。
排熱回収器７に流入したエンジン排熱は、排熱回収器７内で、冷媒循環系統Ｌｃを流れる冷媒に対して、その保有する熱量を投入して加熱する。排熱回収器７で冷媒を加熱したエンジン排熱は、ラインＬｈ７、合流点Ｇ３、ラインＬｈ９経由でガスエンジン１に戻される。

図３の暖房運転時には、冷却水循環系統（外部冷却水循環系統）Ｌｗは冷媒及びエンジン排熱とは熱的に分離されているので、ポンプ９を停止して、該部冷却水の循環を停止することが可能である。
もちろん、空調機器３７が冷房運転中であり、冷房運転中の空調機器３７から放熱する必要がある場合には、ポンプ９を駆動して、冷却水を循環し続ける。

図４は、図３と同様に、エンジン排熱により冷媒を加熱する方が良いと判断された場合を示している。但し、図４の場合には、エンジン排熱が非常に高温であり（保有する熱量が非常に大きく）、冷媒の加熱のみでは多大な熱量を消費することが出来ないような状態を想定している。
換言すれば、図４は、エンジン排熱を冷媒の加熱にのみ使用したのでは、ガスエンジン１がオーバーヒートしてしまう恐れがある状態を示している。

以下、図４に基づいて、エンジン排熱が保有する熱量が非常に大きい場合の暖房運転について説明する。
図４では、三方弁Ｖ２は、ラインＬｈ２を、ラインＬｈ４及びラインＬｈ５に分岐させている。換言すれば、三方弁Ｖ２は、ラインＬｈ２が、ラインＬｈ４及びラインＬｈ５の双方と連通する様になっている。
三方弁Ｖ６は、ラインＬｃ３とバイパスラインＬｂｃとを連通させて、冷媒が熱交換器４をバイパスする様にしている。

図４で示す暖房運転において、冷媒循環系Ｌｃにおける冷媒の流れは、図３の暖房運転と同様である。
一方、排熱循環系統Ｌｈでは、エンジン排熱が排熱回収器７側（Ｌｈ５）を流れるのみならず、熱交換器６側（Ｌｈ４）へも流れている。冷媒の加熱にのみ使用したのではエンジン排熱が余剰となってしまう分だけ、熱交換器６側へエンジン排熱を流すことにより、熱交換器６において、当該余剰のエンジン排熱（冷媒の加熱にのみ使用したのでは余剰となるエンジン排熱）を外部冷却水に廃棄するのである。
換言すれば、エンジン排熱の一部は排熱回収器７側で冷媒に投入され、残りのエンジン排熱は熱交換器６側で冷却水循環系Ｌｗを流れる外部冷却水に廃棄される。その結果、エンジン排熱（エンジン冷却水）は、ガスエンジン１がオーバーヒートしない温度まで降温する。

なお、排熱回収器７側を流れるエンジン排熱（流量）と、熱交換器６側を流れるエンジン排熱（流量）との比率については、エンジン排熱と外部冷却水温度との温度差との関係（特性）を予め計測し、或いは設定して、コントロールユニット（図１参照）に設けられた図示しない記憶装置（データベース、メモリ）等に記憶しておけば良い。
そして、コントロールユニット（図１参照）において、温度センサＳｔ１、Ｓｔ２の計測結果と、排熱温度センサＳｔ３の計測結果との差分を求め、予め設定された特性から排熱回収器７側を流れるエンジン排熱（流量）と、熱交換器６側を流れるエンジン排熱（流量）との比率を決定し、信号伝達ラインＳｏ２にて三方弁Ｖ２の開度制御を行えば良い。

図５は、図１で示すヒートポンプシステム１００を、冷房運転している場合の状態を示している。
以下、図５に基づいて、冷房運転時の作動を説明する。
図５において、冷房運転時には、四方弁Ｖ１は、ポートＰ１とポートＰ２とが連通し、ポートＰ３とポートＰ４とが連通している。また、三方弁Ｖ２はラインＬｈ２とラインＬｈ４とを連通させている。
三方弁Ｖ６はバイパスラインＬｃｂ側を閉鎖して冷媒を熱交換器１側に流し、ラインＬｃ２３２とラインＬｃ３とを接続している。

冷媒循環系統Ｌｃでは、コンプレッサ２で圧縮された高圧気相冷媒は、コンプレッサ２の吐出口２ｏから、四方弁Ｖ１を経由して熱交換器４に流入する。高圧気相冷媒は、熱交換器４内で、冷却水循環系統Ｌｗを流れる冷却水と熱交換を行い、高圧液相冷媒となり、ラインＬｃ３における図示しない減圧弁において減圧されて、低圧液相冷媒となる。

低圧液相冷媒は、ラインＬｃ４の３台の室内機３に流入し、室内の空気から気化熱を奪って、低圧気相冷媒となる。その際に、室内の空気を冷却する。すなわち、高温の室内空気は、室内機３において、低圧液相冷媒に気化熱を奪われて降温するため、室内が冷房される。
室内を冷房した後の低圧気相冷媒は、ラインＬｃ５、四方弁Ｖ１、ラインＬｃ６を経由して排熱回収器７に入る。

排熱回収器７にはエンジン排熱は流入しないので、低圧気相冷媒は、排熱回収器７内を素通りして、ラインＬｃ７経由でコンプレッサ２の吸入口２ｉに戻される。
以下、同様のサイクルを行う。

排熱循環系統Ｌｈを流れる高温のエンジン排熱（エンジン１の冷却水）は、熱交換器６側を流れ、冷却水循環系Ｌｗを流れる外部冷却水に保有する熱量を廃棄する。

冷却水循環系統（外部冷却水循環系統）Ｌｗでは、冷却水ポンプ９は作動している。
外部冷却水は、冷房運転中の空調機器３７から放熱された熱量がラインＬｗ３に投入されると共に、熱交換器６でエンジン排熱が投入されて加熱されるが、冷却塔５で冷却される。

冷房運転時であって、冷却水循環系統Ｌｗを流れる外部冷却水の水温が非常に低い場合には、冷媒循環系統Ｌｃにおける圧力差が維持されず、冷媒の循環が困難となる事態が想定される。
その様な場合においても、図示の実施形態では、ラインＬｗ３で空調機器３７から熱が投入されるので、冷却水温度が低くなり過ぎることが防止される。冷媒循環系統Ｌｃにおける圧力差は保持され、冷媒の循環が困難となることも無い。
また、明確には図示しないが、外部冷却水循環系統Ｌｗを冷却水の向きを反転可能に構成することにより、熱交換器６を介して投入されるエンジン排熱によって、外部冷却水を一定以上の温度に保ち、冷媒循環系統Ｌｃにおける圧力差を維持して、冷媒の循環を確保することも可能である。

次に、主として図６を参照して、図示の実施形態における制御を説明する。
図６のステップＳ１では、コントロールユニット１０は、冷房運転か暖房運転かを判断する。暖房運転であれば、ステップＳ２に進み、冷房運転であればステップＳ１０に進む。

ステップＳ２（暖房運転の場合）では、四方弁Ｖ１のポートＰ１とポートＰ４を連通させ、ポートＰ２とポートＰ３とを連通させる。そして温度センサＳｔ１、Ｓｔ２の計測結果（外部冷却水の温度）を読み込む（ステップＳ３）。
次のステップＳ４では、外部冷却水の温度が閾値ｔ_０以上であるか否かを判断する。外部冷却水の温度が閾値ｔ_０以上であれば（ステップＳ４がＹＥＳ）、冷媒の加熱を外部冷却水により行う（換言すれば、冷房運転中の空調機器３７から放熱された熱量により行う）方が、エンジン排熱で加熱するよりも良好であると判断し、ステップＳ５に進む。
一方、外部冷却水の温度が閾値ｔ_０未満であれば（ステップＳ４がＮＯ）、エンジン排熱で冷媒を加熱する方が、外部冷却水で加熱するよりも良好であると判断して、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５（冷媒の加熱を外部冷却水により行う場合）では、三方弁Ｖ６を熱交換器４側（Ｌｃ２３２側）へ切り換え、三方弁Ｖ２を熱交換器６側（Ｌｈ４側）に切り換える。それにより、図２の暖房運転が行われる。
その後、ステップＳ１１まで進む。

ステップＳ６（冷媒の加熱をエンジン排熱により行う場合）では、ガスエンジン１に内蔵した排熱温度センサＳｔ３の計測結果を読み込む。そして、排熱温度から外部冷却水温度を減じた値が所定値未満となったか否かを判断する（ステップＳ７）。
排熱温度から外部冷却水温度を減じた値が所定値未満となっていれば（ステップＳ７がＹＥＳ）、エンジン排熱は冷媒を加熱するのみで十分に降温し、そのままガスエンジン１に戻してもオーバーヒートとはならないと判断して、ステップＳ８に進む。
一方、排熱温度から外部冷却水温度を減じた値が所定値以上となっていれば（ステップＳ７がＮＯ）、エンジン排熱が保有する熱量が多大であり、冷媒を加熱するのみでは降温せず、ガスエンジン１に戻したならばオーバーヒートの恐れがあると判断して、ステップＳ９に進む。

ステップＳ８（エンジン排熱が多大ではない場合）では、三方弁Ｖ６をバイパスＬｃｂ側に接続し、三方弁２を排熱回収器７側に接続し、図３の暖房運転を行わせる。その後、ステップＳ１１に進む。
一方、ステップＳ９（エンジン排熱が多大な場合）では、三方弁Ｖ６をバイパスＬｃｂ側に接続し、三方弁２を排熱回収器７側と熱交換器４側の双方に接続して、図４の暖房運転を行わせる。その後、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１０では、冷房運転を行うので、四方弁Ｖ１のポートＰ１とポートＰ２を連通させ、ポートＰ３とポートＰ４とを連通させる。三方弁Ｖ２は、エンジン排熱を熱交換器６側（Ｌｈ４側）へ流す。
そして、ステップＳ１１まで進む。
ステップＳ１１では、コントロールユニット１０は運転を終了するか否かを判断する。
運転を終了するのであれば（ステップＳ１１がＹＥＳ）、制御を終了する。運転を継続させるのであれば（ステップＳ１１がＮＯ）、ステップＳ１に戻り、再びステップＳ１以降を繰り返す。

図示の実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、冷却水循環系Ｌｗを複数の空調機器３７と共通しているので、冷房運転を行っている複数の他の空調機器３７が放熱する熱量により、冷却水循環系Ｌｗを流れる冷却水の水温が非常に高温となる場合がある。そのような場合において、当該高温となった冷却水により冷媒を加熱する様に構成しているので（図２）、冷房運転中の複数の空調機器３７が放熱した熱量を暖房に有効利用することが出来て、極めて効率的である。

図２で示す様な暖房運転時において、冷房運転中の他の空調機器３７が放熱した熱量は、ヒートポンプシステム１００の運転とは無関係に、冷却水循環系Ｌｗを流れる冷却水へ投入される。
そのため、ヒートポンプシステム１００の駆動源であるガスエンジン１の排熱により冷媒を加熱する場合に比較して、ヒートポンプシステム１００に対する入力を増加することなく、ヒートポンプシステム１００の出力を増加することになるため、暖房効率を大幅に向上させることが出来る。

ここで、冷房運転を行っている複数の他の空調機器３７が放熱した熱量がさほど大量ではない場合には、冷媒を循環させている圧縮機２の駆動源であるガスエンジン１の排熱により冷媒を加熱する方が、効率が高くなる場合がある。図示の実施形態によれば、図３の運転を行うことにより、その様な場合にも対応することが可能である。
その様な場合（ガスエンジン１の排熱により冷媒を加熱する方が効率が高い場合）において、排熱量が多過ぎる場合には、冷媒を加熱するのみでは排熱を消費して排熱温度を低下させることが出来ず、ガスエンジン１をオーバーヒートさせてしまう可能性がある。図示の実施形態では、図４の運転を行うことにより、エンジン排熱の一部で冷媒を加熱すると共に、残りの排熱を冷却水に廃棄し、以って、冷媒を加熱しつつ、ガスエンジン１のオーバーヒートを未然に防止することが出来る。

図７は、図示の実施形態の変形例における制御を示している。
図６において、ステップＳ７において、エンジン排熱は冷媒を加熱するのみで十分に降温し、そのままガスエンジン１に戻してもオーバーヒートとはならないか（排熱温度が非常に高くはない）、あるいは、冷媒を加熱するのみでは排熱は降温せず、そのままガスエンジン１に戻したならばオーバーヒートの恐れがあるか（排熱が非常に高温である）について、排熱温度から外部冷却水温度を減じた値で判断している。
これに対して、図７で示す変形例では、排熱が非常に高温であるか否かの判断は、排熱温度のみをパラメータとしている（図７のステップＳ７Ａ）。

すなわち、図７において、排熱温度が所定値未満であれば（ステップＳ７ＡがＹＥＳ）、エンジン排熱は非常に高いわけではなく、冷媒を加熱するのみでエンジン排熱は十分に降温し、そのままガスエンジン１に戻してもオーバーヒートとはならないと判断して、ステップＳ８に進む。
一方、排熱温度が所定値以上であれば（ステップＳ７ＡがＮＯ）、エンジン排熱が保有する熱量が多大であり、冷媒を加熱するのみでは降温せず、ガスエンジン１に戻したならばオーバーヒートの恐れがあると判断して、ステップＳ９に進む。
図７の変形例におけるその他の構成及び作用効果については、図１〜図６の実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の実施形態のブロック図。実施形態の暖房運転時において、外部冷却水の熱量を用いる場合における冷媒、エンジン排熱、外部冷却水の流れを説明するブロック図。実施形態の暖房運転時において、エンジン排熱を用いる場合における冷媒、エンジン排熱、外部冷却水の流れを説明するブロック図。図Ｃの暖房運転時において、エンジン排熱の熱量が大きい場合における冷媒、エンジン排熱、外部冷却水の流れを説明するブロック図。実施形態の冷房運転時における冷媒、エンジン排熱、外部冷却水の流れを説明するブロック図。実施形態の制御を説明するフローチャート。実施形態の変形例における制御のフローチャート。従来のヒートポンプの概要を示すブロック図。コンプレッサを電動機で駆動するタイプのヒートポンプを示すブロック図。

符号の説明

１・・・機械的駆動源／ガスエンジン
２・・・圧縮機械／コンプレッサ
３・・・室内機
４・・・室外器／冷媒・水熱交換器／熱交換器
５・・・冷却塔
６・・・熱交換器
７・・・排熱回収器
８・・・排熱循環ポンプ／循環ポンプ
９・・・冷却水循環ポンプ／循環ポンプ
１０・・・制御手段
１００・・・ヒートポンプシステム
Ｌｃ・・・冷媒循環系統
Ｌｈ・・・エンジン排熱循環系統／排熱循環系統
Ｌｗ・・・冷却水循環系統
Ｓｔ１・・・第１の温度センサ／温度センサ
Ｓｔ２・・・第２の温度センサ／温度センサ
Ｓｔ３・・・排熱温度センサ
V１・・・四方弁
Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６・・・三方弁

Claims

機械的駆動源により駆動する圧縮機械を有し、室外機が冷却水により冷却されるヒートポンプシステムにおいて、冷媒が循環する冷媒循環系統と、機械的駆動源の排熱が流れる循環系統と、排熱の温度を計測する排熱温度計測装置と、冷却水が循環する冷却水循環系統とを有し、冷媒循環系統には、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れ方向を切り換える切換装置と、冷媒と冷却水とで熱交換を行う第１の熱交換器と、第１の熱交換器をバイパスするバイパスラインと、冷媒の流れを第１の熱交換器側とバイパスライン側とで切り換える冷媒用切換装置が介装されており、冷却水循環系統には、冷却水温度を計測する計測装置が介装されており、機械的駆動源の排熱が流れる循環系統には、排熱を冷却水に投入する第２の熱交換器と、機械的駆動源の排熱を冷媒に投入する第３の熱交換器と、排熱用切換装置が介装されており、排熱用切換手段は、排熱を第２の熱交換器側に流し及び／又は第３の熱交換器側に流す様に構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
制御装置を備え、制御装置は、計測装置で計測された冷却水温度に基いて、冷媒用切換装置を冷媒が第１の熱交換器を流れる側或いは冷媒がバイパスラインを流れる側に切り換え、且つ、計測装置で計測された冷却水温度及び排熱温度計測装置で計測された排熱温度に基いて、排熱用切換装置を排熱が第２の熱交換器を流れる側及び／又は第３の熱交換器を流れる側に切り換える制御を行う様に構成されている請求項１のヒートポンプシステム。
前記制御装置は、暖房運転の際に、計測装置で計測された冷却水温度と、排熱温度計測装置で計測された排熱温度にもとづいて基づいて、冷却水温度が閾値以上の高温の場合に、冷媒用切換装置を冷媒が第１の熱交換器を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置を排熱が第２の熱交換器を流れる側に切り換え、冷却水温度が閾値よりも低温であるが、排熱温度と冷却水温度との温度差が所定値以内である場合に、冷媒用切換装置を冷媒がバイパスラインを流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置を排熱が第３の熱交換器を流れる側に切り換え、冷却水温度が閾値よりも低温であり、排熱温度と冷却水温度との温度差が所定値よりも大きい場合に、冷媒用切換装置を冷媒がバイパスラインを流れる側に切り換えると共に、排熱用切換装置を排熱が第２の熱交換器及び第３の熱交換器の双方を流れる様に切り換える制御を行う様に構成されている請求項２のヒートポンプシステム。
請求項３のヒートポンプシステムを制御する制御方法において、冷房運転を行うか暖房運転を行うかを決定する工程と、暖房運転の際に、計測装置により冷却水温度を計測する工程と、排熱温度計測装置により排熱温度を計測する工程と、冷却水温度が閾値以上の高温の場合に、冷媒用切換装置を冷媒が第１の熱交換器を流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置を排熱が第２の熱交換器を流れる側に切り換える工程と、冷却水温度が閾値よりも低温であるが、排熱温度と冷却水温度との温度差が所定値以内である場合に、冷媒用切換装置を冷媒がバイパスラインを流れる側に切り換え、且つ、排熱用切換装置を排熱が第３の熱交換器を流れる側に切り換える工程と、冷却水温度が閾値よりも低温であり、排熱温度と冷却水温度との温度差が所定値よりも大きい場合に、冷媒用切換装置を冷媒がバイパスラインを流れる側に切り換えると共に、排熱用切換装置を排熱が第２の熱交換器及び第３の熱交換器の双方を流れる様に切り換える工程、とを有することを特徴とする制御方法。