JP2013217512A - エンジン駆動式ヒートポンプエアコン - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍効率を向上できながら、小型化可能で安価なエンジン駆動式ヒートポンプエアコンを提供する。
【解決手段】エンジン１で駆動する圧縮機２、第１の室外側熱交換器３、蒸発器４、膨張弁５および室内機６を順に接続して圧縮冷凍サイクルを構成する。エンジン冷却水の熱で作動媒体液を蒸発させる蒸気発生器９に、給液ポンプ１０を介装した第１の液配管１１を介して液溜め１２を接続し、液溜め１２に、第２の室外側熱交換器１４と蒸発器４を接続する。蒸気発生器９と第２の室外側熱交換器とを、エジェクタ１８を介装した第１の蒸気配管１９を介して接続し、エジェクタ１８に第２の蒸気配管２０を介して蒸発器４を接続し、エジェクタ１８により蒸気発生器９から第２の室外側熱交換器１４に蒸気を噴射供給する際の背圧によって、蒸発器４内から作動媒体蒸気を第２の室外側熱交換器１４に吸引供給するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンによって駆動する圧縮機に、凝縮器と、過冷却器に兼用構成した蒸発器と、膨張弁および室内機を接続し、冷媒の気液相変化によって空調を行うように構成した圧縮冷凍サイクルを備えたエンジン駆動式ヒートポンプエアコンに関する。

この種のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンでは、凝縮器で凝縮液化した冷媒を過冷却することにより、圧縮冷凍サイクルでの冷凍効率を向上できるように構成している。
過冷却するための熱源として、エンジン排熱を利用することが行われており、従来、次のようなものが知られている。

圧縮機と熱源側熱交換器（凝縮器）と利用側熱交換器（室内機）と減圧機構（膨張弁）とを備えた圧縮式冷凍システムと、蒸気発生器と凝縮器と蒸発器と吸収器と減圧機構とを備えた吸収式冷凍システムとを備え、蒸発器に熱源側熱交換器からの冷媒液を導入し、蒸発器における蒸発潜熱によって過冷却するように構成されている。
また、圧縮機をエンジン、タービン等の燃焼を伴う駆動源によって駆動する場合にはエンジンにより生成される排熱を、蒸気発生器を加熱する熱源として利用することが開示されています（特許文献１参照）。

特開平１１−２２３４１２号公報

しかしながら、上述のような吸収式冷凍システムは、冷媒と吸収液とを用いるものであり、真空容器で構成する蒸発器と吸収器とを、蒸発器で蒸発させた冷媒を吸収器に導入するために連通させる構成であるとか、吸収器において冷媒を大きな表面積で吸収液に吸収させるために吸収液の膜を形成する構成が必要になるなど、各構成部品自体の構造が複雑で小型化が困難であり、機器が大型化する不都合があった。
更に、構成部品自体が高価であり、冷凍効率を向上できても全体として高価になる不都合があった。

また、蒸発器と凝縮器とシリカゲルなどの吸着剤を保持させた吸着剤熱交換器を設け、蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を吸着剤に吸着させ、しかる後に、吸着剤を加熱することにより吸着した冷媒蒸気を脱着して凝縮器に供給し、凝縮した冷媒液を蒸発器に供給し、その蒸発器での蒸発潜熱によって冷水を得る吸着式冷凍機を利用することも考えられるが、真空容器内に吸着剤を保持させた吸着剤熱交換器を設ける構成が必要であるなど、上述吸収式冷凍サイクルの場合と同様に、小型化が困難で機器が大型化するとともに高価になる不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、冷凍効率を向上できながら、小型化可能で安価なエンジン駆動式ヒートポンプエアコンを提供することを目的とし、請求項２に係る発明は、冷凍効率を向上できながら、蒸気発生器に供給する排熱量を減少できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、安価な給液ポンプを使用できるようにして、全体的に一層安価にできるようにすることを目的とし、請求項４に係る発明は、冷凍効率を向上できながら、蒸気発生器に供給する排熱量を減少できるようにすることを目的とし、請求項５に係る発明は、一層安価にできるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
エンジンによって駆動されて低温低圧の冷媒ガスを圧縮して高温高圧化する圧縮機と、前記圧縮機からの高温高圧の冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器と、前記凝縮器からの高温高圧の冷媒液を冷却して中温高圧の冷媒液にする過冷却器と、前記過冷却器からの中温高圧の冷媒液を低温低圧化する膨張弁と、前記膨張弁を経た冷媒液を気化して低温の温調空気を発生させる室内機とで圧縮冷凍サイクルを構成するエンジン駆動式ヒートポンプエアコンであって、
気液相変化する作動媒体の蒸気を凝縮液化する作動媒体凝縮器と、
前記作動媒体凝縮器からの作動媒体液を溜める液溜めと、
前記液溜めから流下供給される作動媒体液を受けるとともに前記過冷却器の冷却熱源に構成した蒸発器と、
前記液溜めから給液ポンプを介して送られる作動媒体液を前記エンジンからの排熱によって蒸発させる蒸気発生器とを備えて密閉系冷凍サイクルを構成し、
前記蒸気発生器と前記作動媒体凝縮器とをエジェクタを介装した蒸気配管を介して接続するとともに前記エジェクタに前記蒸発器を連通接続し、前記エジェクタにより前記蒸気発生器から前記作動媒体凝縮器に作動媒体蒸気を噴射供給する際の背圧によって前記蒸発器内から作動媒体蒸気を前記凝縮器に吸引供給するように構成する。

（作用・効果）
請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成によれば、圧縮冷凍サイクルを構成するエンジンの排熱を利用して蒸気発生器で作動媒体蒸気を発生させ、その作動媒体蒸気を利用してエジェクタにより蒸発器から作動媒体凝縮器に作動媒体蒸気を吸引供給し、蒸発器内を減圧して蒸発器での蒸発を促進させ、液溜めから供給される作動媒体液を蒸発する際の蒸発潜熱によって圧縮冷凍サイクルの冷媒液を過冷却することができる。
圧縮冷凍サイクルを構成するエンジンでは、運転に伴って多量の排熱を生じ、従来では、この排熱を利用して、過冷却器の冷却熱源に構成した蒸発器で蒸発潜熱により冷熱を得るようにしている。本願の請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンでは、エンジンで発生する排熱が多量であることに着目し、エジェクタを用いることによって、蒸気発生器で排熱により発生させた作動媒体蒸気を、蒸発器から作動媒体凝縮器への作動媒体蒸気の吸引供給にまで利用し、蒸発器内を減圧するようにしている。
したがって、構造が非常に単純で機械加工によって容易に製作できるエジェクタと、圧縮冷凍サイクルにおける凝縮器と同仕様の作動媒体凝縮器と、真空容器内に熱交換用のパイプやプレートを設けた蒸気発生器や蒸発器とによって密閉系冷凍サイクルを構成でき、冷凍効率を向上できながら、構成部品自体の構造が簡単で小型化可能で安価なエンジン駆動式ヒートポンプエアコンを提供できる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
液溜めと蒸発器とを接続する作動媒体液の配管に、蒸発器からエジェクタに供給される作動媒体蒸気の熱を伝える蒸発促進用熱交換器を付設して構成する。

（作用・効果）
請求項２に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成によれば、蒸発器からエジェクタに供給される作動媒体蒸気の熱を利用して、液溜めから蒸発器に供給される作動媒体液を加熱し、蒸発器での作動媒体液の蒸発を促進できるから、冷凍効率を向上できながら、蒸気発生器に供給する排熱量を減少でき、エンジンで発生する排熱量が変動しても充分に対応できる。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
液溜めと給液ポンプとの間に、中間液溜めと中間エジェクタとを介装するとともに、中間エジェクタに蒸気発生器を蒸気配管を介して連通接続し、前記中間エジェクタにより前記蒸気発生器からの作動媒体蒸気を噴射供給する際の背圧によって前記液溜め内の作動媒体液を前記中間液溜めに吸引供給するように構成する。

（作用・効果）
請求項３に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成によれば、蒸気発生器で発生させた作動媒体蒸気を利用して中間エジェクタにより液溜めから中間液溜めに作動媒体液を吸引供給し、中間液溜め内の圧力を上昇し、給液ポンプの吐出圧に付与することができる。
したがって、給液ポンプによって蒸気発生器に作動媒体液を供給する際の圧力を減少でき、給液ポンプとして吐出圧の小さい安価なポンプを使用でき、全体的に一層安価にできる。

請求項４に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
液溜めと中間エジェクタとを接続する作動媒体液の配管に、エジェクタから作動媒体凝縮器に供給される作動媒体蒸気の熱を伝える加圧用熱交換器を付設して構成する。

（作用・効果）
請求項４に係る発明の吸収式冷凍機の構成によれば、エジェクタから作動媒体凝縮器に供給される作動媒体蒸気の熱を利用して、液溜めから中間エジェクタに供給される作動媒体液を加熱し、蒸気発生器に戻される作動媒体液の温度を上昇させて蒸気発生器で作動媒体液を蒸発させるために必要な熱量を減少するから、冷凍効率を向上できながら、蒸気発生器に供給する排熱量を減少でき、エンジンで発生する排熱量が変動しても充分に対応できる。

請求項５に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
作動媒体としてアンモニアを用いて構成する。

（作用・効果）
請求項５に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成によれば、作動媒体として、入手が容易でかつ安価なアンモニアを用いるから、一層安価に構成できる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成によれば、圧縮冷凍サイクルを構成するエンジンの排熱を利用して蒸気発生器で作動媒体蒸気を発生させ、その作動媒体蒸気を利用してエジェクタにより蒸発器から作動媒体凝縮器に作動媒体蒸気を吸引供給し、蒸発器内を減圧して蒸発器での蒸発を促進させ、液溜めから供給される作動媒体液を蒸発する際の蒸発潜熱によって圧縮冷凍サイクルの冷媒液を過冷却することができる。
圧縮冷凍サイクルを構成するエンジンでは、運転に伴って多量の排熱を生じ、従来では、この排熱を利用して、過冷却器の冷却熱源に構成した蒸発器で蒸発潜熱により冷熱を得るようにしている。本願の請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンでは、エンジンで発生する排熱が多量であることに着目し、エジェクタを用いることによって、蒸気発生器で排熱により発生させた作動媒体蒸気を、蒸発器から作動媒体凝縮器への作動媒体蒸気の吸引供給にまで利用し、蒸発器内を減圧するようにしている。
したがって、構造が非常に単純で機械加工によって容易に製作できるエジェクタと、圧縮冷凍サイクルにおける凝縮器と同仕様の作動媒体凝縮器と、真空容器内に熱交換用のパイプやプレートを設けた蒸気発生器や蒸発器とによって密閉系冷凍サイクルを構成でき、冷凍効率を向上できながら、構成部品自体の構造が簡単で小型化可能で安価なエンジン駆動式ヒートポンプエアコンを提供できる。

本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例１を示す全体構成図である。 本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例２の要部の構成図である。 本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例３の要部の構成図である。 本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例４の要部の構成図である。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例１を示す全体構成図であり、エンジン１に圧縮機２が連動連結され、圧縮機２に、凝縮器としての第１の室外側熱交換器３、過冷却器に兼用構成した蒸発器４、膨張弁５および室内機６がその順に接続されて圧縮冷凍サイクル７が構成されている。

上記構成により、圧縮機２で低温低圧の冷媒ガスを圧縮して高温高圧化し、その高温高圧の冷媒ガスを第１の室外側熱交換器３で凝縮液化する。第１の室外側熱交換器３からの高温高圧の冷媒液を蒸発器４で過冷却して中温高圧の冷媒液にし、膨張弁５で中温高圧の冷媒液を低温低圧化してから室内機６に供給し、冷媒液を気化して低温の温調空気を発生させて冷房を行えるようになっている。

エンジン１からのエンジン冷却水が、冷却水ポンプ７を介装した冷却水循環配管８を介して蒸気発生器９に供給するように構成され、内部の気液相変化する作動媒体の液をエンジン１からの排熱であるエンジン冷却水によって加熱蒸発させ、作動媒体蒸気を発生するようになっている。
蒸気発生器９には、給液ポンプ１０を介装した第１の液配管１１を介して液溜め１２が接続され、その液溜め１２に、第２の液配管１３を介して、気液相変化する作動媒体の蒸気を凝縮液化する作動媒体凝縮器としての第２の室外側熱交換器１４が接続されるとともに、絞り弁１５を介装した第３の液配管１６を介して蒸発器４が接続されて密閉系冷凍サイクルが構成されている。

蒸気発生器９と第２の室外側熱交換器とが、一方弁１７およびエジェクタ１８を介装した第１の蒸気配管１９を介して接続されるとともに、エジェクタ１８に第２の蒸気配管２０を介して蒸発器４が接続され、エジェクタ１８により蒸気発生器９から第２の室外側熱交換器１４に蒸気を噴射供給する際の背圧によって、蒸発器４内から作動媒体蒸気を第２の室外側熱交換器１４に吸引供給できるように構成されている。
作動媒体としては、入手が容易で安価なアンモニアが用いられている。この作動媒体としては、アンモニア以外に、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、炭化水素（プロパン、ブタン、イソブタンなど）、水、アルコールなどが適用できる。

図２は、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例２を示す要部の構成図であり、実施例１と異なるところは、次の通りである。
すなわち、第１の液配管１１の液溜め１２と給液ポンプ１０との間に、中間液溜め３１と中間エジェクタ３２とが介装されるとともに、中間エジェクタ３２に第３の蒸気配管３３を介して蒸気発生器９が接続されている。これにより、中間エジェクタ３２により蒸気発生器９から中間液溜め３１に作動媒体蒸気を噴射供給する際の背圧によって液溜め１２から中間液溜め３１に作動媒体液を吸引供給できるように構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付すことによりその説明は省略する。

アンモニアを作動媒体に用いる場合で説明すれば、第２の室外側熱交換器１４と蒸気発生器９との圧力差は約３ＭＰａになり、冷凍能力１ｋＷ当たりに必要な給液ポンプ１０の動力は、約１５０〜２００Ｗになるが、実施例２による場合、この動力を３５〜４０％低減できる。

図３は、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例３を示す要部の構成図であり、実施例２と異なるところは、次の通りである。
すなわち、液溜め１２と蒸発器４とを接続する第３の液配管１６に、蒸発器４からエジェクタ１８に供給される作動媒体蒸気の熱を伝える蒸発促進用熱交換器４１が付設されている。他の構成は実施例２と同じであり、同一図番を付すことによりその説明は省略する。

実施例３の構成によれば、蒸発器４からエジェクタ１８に供給される作動媒体蒸気によって、液溜め１２から蒸発器４に供給される作動媒体液を加熱し、蒸発器４での作動媒体液の蒸発を促進でき、蒸気発生器９に供給する排熱量を減少できる。
本発明としては、この実施例３の蒸発促進用熱交換器４１を実施例１の構成にのみ設けるものでも良い。

図４は、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの実施例４を示す要部の構成図であり、実施例３と異なるところは、次の通りである。
すなわち、液溜め１２と中間エジェクタ３２とを接続する作動媒体液の配管に、エジェクタ１８から第２の室外側熱交換器に供給される作動媒体蒸気の熱を伝える加圧用熱交換器５１が付設されている。他の構成は実施例３と同じであり、同一図番を付すことによりその説明は省略する。

実施例４の構成によれば、エジェクタ１８から第２の室外側熱交換器１４に供給される作動媒体蒸気によって、液溜め１２から中間エジェクタ３２に供給される作動媒体液を加熱し、蒸気発生器９に戻される作動媒体液の温度を上昇させて蒸気発生器９で作動媒体液を蒸発させるために必要な熱量を減少し、蒸気発生器９に供給する排熱量を減少できる。
本発明としては、この実施例４の加圧用熱交換器５１を実施例１の構成にのみ設けるものとか、実施例２の構成に設けるものでも良い。

エンジン１としては、天然ガスや都市ガスを燃料とするガスエンジン、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどが適用できる。
また、上記実施例では、蒸気発生器９に供給する排熱として、エンジン冷却水の排熱を利用するものを示したが、燃焼排ガスを利用するように構成するものでも良い。

上述実施例では、圧縮冷凍サイクルとして、冷房運転状態のみのものを示しているが、本発明としては、圧縮機２と、第１の室外側熱交換器３および室内機６との間に四路切換弁を設けるとともに、蒸発器４と並列にバイパス配管を接続し、冷媒を圧縮機２→室内機６→膨張弁５→バイパス配管→第１の室外側熱交換器３→圧縮機２の順に流して暖房運転をも行えるように構成するものでも良い。

また、上述実施例では、蒸発器４を過冷却器に兼用構成し、第１の室外側熱交換器３で凝縮液化した冷媒液の配管を蒸発器４内に直接導入するようにしているが、冷媒液を流す配管に過冷却器としての熱交換器を設け、蒸発器４で得られる冷熱を熱交換器を介して冷媒液に伝えるように構成するものでも良い。

１…エンジン
２…圧縮機
３…第１の室外側熱交換器（凝縮器）
４…蒸発器
５…膨張弁
６…室内機
９…蒸気発生器
１０…給液ポンプ
１２…液溜め
１４…第２の室外側熱交換器（作動媒体凝縮器）
１６…第３の液配管（作動媒体液の配管）
１８…エジェクタ
１９…第１の蒸気配管（蒸気配管）
３１…中間液溜め
３２…中間エジェクタ
３３…第３の蒸気配管（蒸気配管）
４１…蒸発促進用熱交換器
５１…加圧用熱交換器

Claims (5)

1. エンジンによって駆動されて低温低圧の冷媒ガスを圧縮して高温高圧化する圧縮機と、前記圧縮機からの高温高圧の冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器と、前記凝縮器からの高温高圧の冷媒液を冷却して中温高圧の冷媒液にする過冷却器と、前記過冷却器からの中温高圧の冷媒液を低温低圧化する膨張弁と、前記膨張弁を経た冷媒液を気化して低温の温調空気を発生させる室内機とで圧縮冷凍サイクルを構成するエンジン駆動式ヒートポンプエアコンであって、
   気液相変化する作動媒体の蒸気を凝縮液化する作動媒体凝縮器と、
   前記作動媒体凝縮器からの作動媒体液を溜める液溜めと、
   前記液溜めから流下供給される作動媒体液を受けるとともに前記過冷却器の冷却熱源に構成した蒸発器と、
   前記液溜めから給液ポンプを介して送られる作動媒体液を前記エンジンからの排熱によって蒸発させる蒸気発生器とを備えて密閉系冷凍サイクルを構成し、
   前記蒸気発生器と前記作動媒体凝縮器とをエジェクタを介装した蒸気配管を介して接続するとともに前記エジェクタに前記蒸発器を連通接続し、前記エジェクタにより前記蒸気発生器から前記作動媒体凝縮器に作動媒体蒸気を噴射供給する際の背圧によって前記蒸発器内から作動媒体蒸気を前記凝縮器に吸引供給するように構成してあることを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプエアコン。
2. 請求項１に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
   液溜めと蒸発器とを接続する作動媒体液の配管に、蒸発器からエジェクタに供給される作動媒体蒸気の熱を伝える蒸発促進用熱交換器を付設してあるエンジン駆動式ヒートポンプエアコン。
3. 請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
   液溜めと給液ポンプとの間に、中間液溜めと中間エジェクタとを介装するとともに、中間エジェクタに蒸気発生器を蒸気配管を介して連通接続し、前記中間エジェクタにより前記蒸気発生器からの作動媒体蒸気を噴射供給する際の背圧によって前記液溜め内の作動媒体液を前記中間液溜めに吸引供給するように構成してあるエンジン駆動式ヒートポンプエアコン。
4. 請求項３に記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
   液溜めと中間エジェクタとを接続する作動媒体液の配管に、エジェクタから作動媒体凝縮器に供給される作動媒体蒸気の熱を伝える加圧用熱交換器を付設してあるエンジン駆動式ヒートポンプエアコン。
5. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンにおいて、
   作動媒体がアンモニアであるエンジン駆動式ヒートポンプエアコン。

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