JP2635975B2 - スターリング熱機関駆動ヒートポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング熱機関駆動ヒートポンプに
関し、特にスターリングエンジンを用いて冷暖房及び給
湯運転を可能にする空調システムの制御装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第２図は例えば特開昭61−83848号公報に示された従
来のスターリングエンジンヒートポンプチラーである。
図において、１はスターリングエンジンであり、冷媒圧
縮機２を駆動する。この圧縮機２は、四方弁3,凝縮器10
6,膨張弁5,蒸発器108,冷媒管路104等により蒸気圧縮式
冷凍サイクルを構成し、これにより冷暖房運転を行うも
のである。またジャケットクーラ115はエンジン冷却水
通路113と114及び119とを流れる循環水の熱交換を行う
ものであり、これにより熱交換された循環水はクーリン
グタワー118により放熱されるようになっている。水通
路117,室外コイル116,弁120,121は冷房時に凝縮器とな
る熱交換器108より温水を回収し、大気に放熱する水回
路である。また、112は室内熱交換器である。

次に動作について説明する。

このシステムにおいて冷暖房を行う場合は、エンジン
１を起動して上記圧縮機２を駆動することにより、冷媒
回路内に封入された冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形
成する。図中の矢印の方向は暖房時の冷媒の流れを示し
ており、冷房時には、四方弁３の切り換えにより、流れ
が逆になる。従って、冷房時には、熱交換器106が蒸発
器、熱交換器108が凝縮器として働くことになる。

暖房時は、凝縮器で温水を生成し、室内へ送ることに
より行うが、その際、エンジン冷却水の熱をジャケット
クーラ115で冷却水路114に伝え、蒸発器に送ることによ
り暖房熱として利用する。

一方冷房は、蒸発器（暖房時における凝縮器）で冷水
を生成し、室内へ送る。その際、凝縮器（暖房時におけ
る蒸発器）で生成される温水と、ジャケットクーラ115
で冷却水路114に伝えられるエンジン冷却熱をクーリン
グタワー118で放熱する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のスターリング熱機関駆動ヒートポンプは以上の
ように構成されているが、長い時間システムを停止し、
スターリングエンジンがほぼ周囲温度程度になった状態
からエンジンを起動する場合、加熱開始後封入気体の温
度が適当なものとなり、所定の出力を発揮するまでに若
干の時間遅れを持つ。このため、定格の冷媒負荷を持続
するとエンジンが円滑に起動できず、円滑な起動を実現
しようとすれば、定常時においてはかなり過剰な出力を
有するエンジンを必要とするなどの問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、エンジンの出力特性に応じて冷媒の循環
量を可変することにより負荷を調整し、特にシステムの
起動時に円滑な運転ができるスターリング熱機関駆動ヒ
ートポンプを得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るスターリング熱機関駆動ヒートポンプ
は、例えばエンジンの加熱部付近の外壁や再生器内に温
度検出素子を設けて、この出力によりエンジンの出力を
認識し、該検出結果により冷媒管路中に設けた流量調整
弁により冷媒流量を調整するようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、流量調整弁は、システムの起動
当初は冷媒がわずかに流れるように設定し、冷媒圧縮機
による圧縮仕事を低減する。その後は例えば温度検出素
子の出力等からエンジン出力の程度を認識し、徐々に弁
の開度を大きくして圧縮仕事を増加させ、最終的には弁
を全開として定常の冷媒サイクルを運転する。この制御
によりエンジンの出力不足等による停止がなく、円滑な
起動が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。第１図
は本発明の一実施例の構成図を示す。第２図に示した従
来例は、冷凍サイクルとしてヒートポンプチラー方式を
用いた場合であったが、本実施例では、空気熱源パッケ
ージタイプ（空冷パッケージ）ヒートポンプ方式での場
合について説明する。冷凍サイクルの方式が異なって
も、本発明の主旨に影響を与えるものではない。

第１図において、１はスターリングエンジンであり、
ベルトを介して冷媒圧縮機２を駆動可能なように構成さ
れている。この圧縮機２は四方弁3,室内側熱交換器4,膨
張弁5,室外側熱交換器6,冷媒管路10,アキュムレータ11
等とともに冷凍サイクルを構成している。図中、実線で
示す矢印は冷房時、破線で示す矢印は暖房時の冷媒の流
れ方向を示している。７は室内の空調空間を示してい
る。

また、12は冷却熱回収装置、13は放熱器、14は切り換
え弁、15は冷却水循環ポンプ、16はこれらを連結する水
配管であり、17は貯湯タンク、18は給湯循環ポンプ、19
はこれらを連結する給湯配管である。エンジン冷却熱
は、これらより構成される給湯回路により給湯に利用さ
れ、また給湯不要の場合は放熱器13により大気に放熱さ
れるようになっている。

25は温度検知素子で、スターリングエンジン１の加熱
部と再生器部の接合部付近の外壁に接して設けられてお
り（詳細は図示せず）、ほぼエンジン内部の作動気体の
温度を知ることができるようになっている。27は流量調
整弁で、温度検知素子25の出力に応じて、流量調整弁コ
ントローラ26から送られる信号で制御され、冷媒圧縮機
２の吸い込みガス量を増減させ、圧縮仕事を大小変化さ
せるものである。

次に作用効果について説明する。

本ヒートポンプを起動する場合、まず四方弁３により
冷媒の流れ方向を冷房又は暖房に切り換え、スターリン
グエンジンの加熱部を燃焼器で加熱し、さらに起動機に
より起動トルクを与える。これによりエンジンは自立状
態となり、ヒートポンプ運転が行われる。ここで、先に
述べたように、エンジンを予熱なしに起動する場合、エ
ンジン内部の熱分布が不適当となり所定の出力が得られ
るまでに若干の時間を要するために、冷媒側の負荷に対
し出力が不足し、エンジンが停止することがある。

そこで本実施例では、冷媒管路内に冷媒流量調整弁27
を設け、ヒートポンプ起動時には流量を絞って圧縮機２
での圧縮負荷を低減し、エンジンの出力上昇とともに流
量を増加させるようにしている。これにより定常運転状
態に滑らかに立ち上げることができる。従ってこの流量
調整は、エンジンの出力に応じて行う必要がある。この
実施例では、エンジンの加熱部と再生器部の接合付近の
外壁に温度検知素子を設け、これによりエンジン出力を
模擬し、流量調整を行う。これにより、常にエンジン出
力に応じた負荷量が実現されるため、円滑な起動が可能
となる。

なお、上記実施例ではエンジンの加熱部と再生器部の
接合付近の外壁に設けた温度検知素子について説明した
が、エンジンの出力を直接又は間接的に模擬できるもの
であれば他の検知素子を他の部分に設けてもよく、例え
ば再生器内部に温度検知素子を設けたり、エンジンの軸
回転速度を検知する素子を設けても良い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係るスターリング熱機関駆
動ヒートポンプによれば、冷媒管路中に流離調整弁を設
け、エンジン側に設けた出力検出手段の検出結果により
上記流量調整弁を制御するようにしたので、極めて簡単
な安価な構成で機関を円滑に運転することができ、信頼
性の高いシステムが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスターリング熱機関
駆動ヒートポンプを示す概略図、第２図は従来のスター
リングエンジンヒートポンプチラーの概略図である。 １……スターリングエンジン、２……冷媒圧縮機、25…
…温度検知素子、26……流量調整弁コントローラ、27…
…流量調整弁。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スターリング熱機関により駆動される冷媒
   圧縮機，蒸発器，凝縮器，膨張弁を有する蒸気圧縮冷凍
   サイクルによるヒートポンプにおいて、 上記スターリング熱機関の出力を検知するための出力検
   知手段と、 上記冷媒圧縮機の冷媒吸入部より上流側の冷媒配管に設
   けられた流量調整弁と、 上記出力検知手段の検知結果に応じて上記流量調整弁を
   制御する制御装置とを備えたことを特徴とするスターリ
   ング熱機関駆動ヒートポンプ。
2. 【請求項２】上記出力検知手段は、上記熱機関の加熱部
   と、熱を一時的に貯える再生器部との接合部付近の外壁
   面に接して設けられた温度検知素子であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のスターリング熱機関駆
   動ヒートポンプ。
3. 【請求項３】上記出力検知手段は、上記再生器内に設け
   られた温度検知素子であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のスターリング熱機関駆動ヒートポン
   プ。
4. 【請求項４】上記出力検知手段は、上記スターリング熱
   機関の軸回転数を検知するものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のスターリング熱機関の駆動
   ヒートポンプ。