JP3798254B2 - 空調方法、ヒートポンプおよび空調装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空調方法、ヒートポンプおよび空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン駆動式ヒートポンプを空調装置（いわゆるエアコンと称する。）として用いたエンジン駆動式ヒ−トポンプエアコンは、エンジンにより駆動される圧縮機を用いて冷房および暖房を行う空調機である。ヒートポンプサイクル自体は電気式エアコンと同じである。ただし、電気式エアコンでは圧縮機を電動モータで駆動する点がエンジン駆動式のものと異なる。エンジン駆動式のものはエンジン排熱等を熱源として暖房に利用できる利点がある。
【０００３】
図７は、従来のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成の代表的な一例を示すブロック図である。エアコン本体は、室内機１０と室外機１２とで構成される。室内機１０には室内熱交換器１４が搭載されている。室外機１２には、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４、圧縮機２６、四方弁２８、エンジン３０、ラジエータ３２、ポンプ３４および三方弁３６が搭載されている。
【０００４】
室内熱交換器１４、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６は、この順序で環状に冷媒管で結合され、冷媒の流路を構成している。ただし、排熱回収器２２とアキュムレータ２４との間、および圧縮機２６と室内熱交換器１４との間は、それぞれ共通の四方弁２８を介して結合されている。四方弁２８によって冷媒の流れを変えることにより、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。図７は暖房運転時の様子を示しており、冷媒は、室内熱交換器１４、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６の順に流れる。冷房運転時の冷媒の流れは室内熱交換器１４、アキュムレータ２４、圧縮機２６、排熱回収器２２、室外熱交換器２０、レシーバタンク１６および冷房用膨張弁（図に示していない。）の順に流れる。
【０００５】
エンジン３０、排熱回収器２２、三方弁３６、ラジエータ３２およびポンプ３４は、この順序で環状に冷却水管で結合され、冷却水の流路を構成している。ポンプ３４と三方弁３６との間が、ラジエータ３２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。
【０００６】
図７を参照して、暖房運転時の空調機の動作を説明する。
【０００７】
▲１▼室外熱交換器２０および排熱回収器２２で気化した冷媒は、圧縮機２６にて高温、高圧のガスになる（図７のＡ→Ｂ）。
【０００８】
▲２▼圧縮機２６にて高温、高圧となった冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図７のＢ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風となり、暖房効果を生ずる。
【０００９】
▲３▼液化した冷媒は膨張弁１８で減圧される（図７のＣ→Ｄ）。
【００１０】
▲４▼減圧された冷媒は室外熱交換器２０で外気から熱を奪い、さらに排熱回収器２２に入ってエンジン３０の冷却水から熱を奪って蒸発する（図７のＤ→Ａ）。すなわち、エンジン駆動式ヒートポンプは室外熱交換器２０と排熱回収器２２との２種類の蒸発器を持つ。
【００１１】
▲５▼蒸発した冷媒ガスは再び圧縮機２６に戻り、同様のサイクルを繰り返す。
【００１２】
図８は、従来構成の説明図であって、上述のヒートポンプサイクルにおける冷媒状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）である。図８中のＡ、Ｂ、ＣおよびＤの冷媒状態は、図７に示すＡ、Ｂ、ＣおよびＤの位置での冷媒状態にそれぞれ対応している。ＡおよびＢ点では、冷媒は気相状態にあり、Ｃ点では、冷媒は液相状態にあり、Ｄ点では気液混合状態にある。図８の線図中、横軸は比エンタルピｈ［ｋＪ／ｋｇ］であり、縦軸は圧力Ｐ［ＭＰａ］である。Ａ→Ｂは圧縮工程、Ｂ→Ｃは凝縮工程、Ｃ→Ｄは膨張工程、およびＤ→Ａは蒸発工程である。曲線ａは飽和曲線を示す。Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおける比エンタルピの値を、それぞれｈＡ、ｈＢ、ｈＣおよびｈＤとする。
【００１３】
冷媒循環量Ｗ［ｋｇ／ｈ］とすると、暖房熱量は（ｈＢ−ｈＣ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］、外気採熱量と排熱回収量の合計熱量は（ｈＡ−ｈＤ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］、圧縮仕事量は（ｈＢ−ｈＡ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］で表される。また、損失を無視すれば、暖房熱量＝外気採熱量＋排熱回収量＋圧縮仕事量の関係がある。
【００１４】
エンジン駆動式ヒートポンプの場合、排熱を利用することにより、暖房能力、すなわち最大暖房熱量が増大する。
【００１５】
また、一次エネルギー換算成績係数ＰＥＲ（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒａｔｉｏ）の暖房運転時の値ＰＥＲｈは、
ＰＥＲｈ＝（暖房熱量［ｋＪ／ｈ］）／（圧縮機の動力源が消費する一次エネルギー換算熱量［ｋＪ／ｈ］）
で表されるが、この値も排熱を利用することにより向上する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン駆動式エアコンは、排熱を利用できるので、暖房能力と成績係数が増大するが、排熱を利用すると、冷媒蒸発温度と圧力が上昇するため、外気採熱量が減少する傾向がある。特に、外気温度が冷媒蒸発温度よりも低くなると、冷媒から外気へ放熱してしまう。よって、外気温度が低い場合は、室外熱交換器は利用せずに、エンジン排熱だけを利用した方が暖房能力と成績係数とを高く保つことができる。したがって従来は、外気温度が低い場合、室外熱交換器の送風ファンを止めたり室外熱交換器をバイパスするなどにより、エンジン排熱だけで冷媒を蒸発させるように制御しているものが多い。このように、外気温度が低くなると外気採熱ができなくなるという問題がある。
【００１７】
この問題は、温度レベルの異なる２種類の蒸発器（室外熱交換器２０および排熱回収器２２）を圧力の等しい同一の蒸発工程に使用するために生じる。
【００１８】
この発明は上述した問題点の解決を図るためになされたものであり、したがってこの発明の目的は、排熱利用に影響されることなく外気採熱を可能とし、しかも、比較的高い成績係数と暖房能力とを達成できる空調方法およびヒートポンプを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明の空調方法によれば、室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行う方法であって、暖房運転にあたり、室内熱交換器の出口と排熱回収熱交換器の入口との間に第１弁を設け、排熱回収熱交換器の出口と室内熱交換器の入口との間に第２弁を設け、および排熱回収熱交換器の出口と室外熱交換器の入口との間に第３弁を設けておき、第１暖房サイクルと、第２暖房サイクルとを実行する。
【００２０】
第１暖房サイクルは、室外熱交換器で外気を利用して冷媒を蒸発させる第１工程と、室外熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮機で圧縮する第２工程と、圧縮機で圧縮された冷媒を室内熱交換器で凝縮させる第３工程と、室内熱交換器で凝縮した冷媒を膨張弁で減圧・膨張させて室外熱交換器に送給する第４工程とを含んでいる。
【００２１】
第２暖房サイクルでは、充填モード及び暖房モードが交互に実施される。充填モードは、室内熱交換器で凝縮した冷媒を非減圧状態で排熱回収熱交換器に送給する第５工程からなる。暖房モードは、排熱回収熱交換器で圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させる第６工程と、排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒を室内熱交換器に送給する第７工程と、室内熱交換器で冷媒を凝縮させる第８工程とからなる。
そして、排熱回収熱交換器中に収容されている凝縮した冷媒の収容レベルが予め設定した第１設定レベル以下であることを検知して、第１及び第３弁を開いて排熱回収熱交換器の出口側を入口側よりも低圧にするとともに、第２弁を閉じて充填モードに切り替える。また、凝縮した冷媒の収容レベルが、第１設定レベルより高い、予め設定した第２設定レベル以上であることを検知して、第１及び第３弁を閉じるとともに、第２弁を開いて暖房モードに切り替える。
【００２２】
この方法によれば、室外熱交換器と排熱回収熱交換器とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。そして、室外熱交換器では外気採熱により、排熱回収熱交換器では排熱利用により、それぞれ冷媒を気化させる。従って、排熱利用に影響されることなく外気採熱が可能となり、従来方法に比べて暖房能力および成績係数の向上が図れる。
【００２３】
また、排熱回収熱交換器では、凝縮した冷媒を膨張弁で減圧することなく高圧のまま加熱・蒸発させるため、大きな動力を用いずに、第２暖房サイクルを循環させることが出来る。
【００２４】
また、この発明のヒートポンプによれば、室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行うヒートポンプであって、暖房運転において、室外熱交換器は外気を利用して冷媒を蒸発させるものであり、室外熱交換器で蒸発した冷媒は四方弁を経て圧縮機に送給され、圧縮機で圧縮された冷媒はこの四方弁を経て室内熱交換器に送給され、室内熱交換器で凝縮した冷媒は膨張弁を経て室外熱交換器に送給されるように構成されており、排熱回収熱交換器は圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させるものであり、排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒は室内熱交換器に送給され、室内熱交換器で凝縮した冷媒は非減圧状態で排熱回収熱交換器に送給されるように構成されている。そして、このヒートポンプは、室内熱交換器の出口と膨張弁の入口との間が受液器すなわちレシ−バタンクを介して結合され、受液器の出口および膨張弁の入口間の結合部と排熱回収熱交換器の入口との間が第１弁を介して結合され、排熱回収熱交換器の出口と四方弁の出口および室内熱交換器の入口間の結合部との間が第２弁を介して結合され、排熱回収熱交換器の出口および第２弁の結合部と膨張弁の出口および室外熱交換器の入口間の結合部との間が第３弁を介して結合されている。
【００２５】
この装置によれば、上述した空調方法を実施することができる。
【００２７】
各弁の開閉を次のように制御する。排熱回収熱交換器内の冷媒液面の低下を検知したとき、第１および第３弁を開き、第２弁を閉める。排熱回収熱交換器の冷媒の出口側が膨張弁の出口の低圧側に開放されるため、排熱回収熱交換器の冷媒の出口側は入口側（受液器側）に比べて低圧になる。このため、受液器から排熱回収熱交換器への液冷媒の移動が短時間に行われる。この結果、排熱回収熱交換器に液冷媒が新たに充填される（充填モ−ド）。
【００２８】
排熱回収熱交換器に冷媒が充填され、冷媒液面が所定の高さになったとき、第１および第３弁を閉めて、第２弁を開く。その結果、冷却水により冷媒が加熱されて蒸発することによって、シェル内の圧力が上昇し、排熱回収熱交換器から室内熱交換器へ蒸発した冷媒が移動し、よって、暖房運転が行われる（暖房モ−ド）。
【００２９】
このように、充填モードと暖房モードとを交互に繰り返すバッチ方式の運転が実現される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図は、この発明が理解できる程度に形状、結合関係および配置関係を概略的に示すものに過ぎない。よって、この発明は、図示例に何ら限定されることがない。
【００４３】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。エアコン本体は室内機１０と室外機４４とで構成される。室内機１０には室内熱交換器１４が搭載されている。室外機４４には室外熱交換器２０および排熱回収熱交換器４６が搭載されている。また、室外機４４には補助排熱回収熱交換器２２も搭載されている。そのほかに室外機４４には、レシーバタンク（受液器）４８、膨張弁１８、アキュムレータ２４、圧縮機２６、四方弁２８、エンジン３０、ラジエータ３２、ポンプ３４、三方弁３６、第１弁５０ａ、第２弁５０ｂ、第３弁５０ｃ、三方弁５２および三方弁５３が搭載されている。
【００４４】
上述の圧縮機２６は、エンジン３０により駆動され、冷媒を圧縮して圧力を高める機械である。また、膨張弁１８は、液化した高圧の冷媒を絞り膨張により減圧させかつ冷媒流量を調節するための弁である。熱交換器とは、異なる温度の二流体間で熱の授受を行わせる装置のことをいう。レシーバタンク（受液器）４８は、ヒートポンプにおいて冷媒回路内の冷媒量分布を調整する目的で、主として凝縮器（この例の室内熱交換器１４に相当する。）の出口に設けられる冷媒液貯留用の容器である。アキュムレータ２４は液分離器であり、液冷媒が圧縮機に吸収されることを防ぐために用いられる。ラジエータ３２は、温度の高い冷却水から熱を外気に放熱（図１中、矢印Ｓで示す。）することにより、冷却水を冷却する熱交換器である。
【００４５】
この実施の形態のエアコンすなわち空調機は、室内熱交換器１４と室外熱交換器２０および排熱回収熱交換器４６との間に冷媒を循環させて室内の空調を行う。そのため、このエアコンには、室内熱交換器１４と室外熱交換器２０との間に冷媒を流すための第１の冷媒流路（図１中、黒塗りの矢印Ｘで示す循環流路）、および室内熱交換器１４と排熱回収熱交換器４６との間に冷媒を流すための第２の冷媒流路（図１中、白抜きの矢印Ｙで示す循環流路）がそれぞれ設けられている。
【００４６】
第１の冷媒流路Ｘは、室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、膨張弁１８、室外熱交換器２０、補助排熱回収熱交換器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６がこの順序で環状に冷媒管で結合されたものである。ただし、補助排熱回収熱交換器２２とアキュムレータ２４との間、および圧縮機２６と室内熱交換器１４との間は、それぞれ共通の四方弁２８を介して結合されている。四方弁２８によって冷媒の流れを変えることにより、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。図１は暖房運転時の様子を示しており、冷媒は、室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、膨張弁１８、室外熱交換器２０、補助排熱回収熱交換器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６の順に流れる。冷房運転を行うためには、室内熱交換器１４とレシーバタンク４８との間に冷房用膨張弁（図示していない）を設けておく。冷房運転時の冷媒は、室内熱交換器１４、アキュムレータ２４、圧縮機２６、補助排熱回収熱交換器２２、室外熱交換器２０、レシーバタンク４８および冷房用膨張弁の順に流れる。
【００４７】
暖房運転において、上述の室外熱交換器２０は外気を利用して冷媒を蒸発させるものである。上述した構成によれば、室外熱交換器２０で蒸発した冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上の補助排熱回収熱交換器２２およびアキュムレータ２４を経て、圧縮機２６に送給される。圧縮機２６で圧縮された冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上の室内熱交換器１４に送給される。さらに、室内熱交換器１４で凝縮した冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上のレシーバタンク４８および膨張弁１８を経て、室外熱交換器２０に送給される。このような順次の冷媒の流れによる暖房サイクルを第１暖房サイクルとする。
【００４８】
また、レシーバタンク４８の出口側（膨張弁１８に結合される側）の冷媒管は２つに分岐してる。第１の冷媒流路Ｘ上の一方の冷媒管は、上述した膨張弁１８の入口に結合されている（膨張弁１８の出口は室外熱交換器２０の入口に結合されている。）。そして、第２の冷媒流路Ｙ上の他方の冷媒管は第１弁５０ａの入口に結合されている。第１弁５０ａの出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間は結合されている。また、排熱回収熱交換器４６の出口と室内熱交換器１４の入口との間は第２弁５０ｂを介して結合されている。さらに、排熱回収熱交換器４６および第２弁５０ｂの結合部と、膨張弁１８および室外熱交換器２０間の結合部との間が第３弁５０ｃを介して結合されている。室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、第１弁５０ａ、排熱回収熱交換器４６および第２弁５０ｂは、この順序で環状に冷媒管で結合され、第２の冷媒流路を構成している。室内熱交換器１４の入口からレシーバタンク４８の出口までの流路は、第１および第２の冷媒流路ＸおよびＹに共通である。
【００４９】
上述の排熱回収熱交換器４６は、圧縮機２６の動力源であるエンジン３０の排熱を利用して冷媒を蒸発させるものである。上述した構成によれば、排熱回収熱交換器４６で蒸発した冷媒は、第２の冷媒流路Ｙ上の第２弁５０ｂを経て室内熱交換器１４に送給される。室内熱交換器１４で凝縮した冷媒は、後述するように、第２の冷媒流路Ｙ上のレシーバタンク４８および第１弁５０ａを経て、排熱回収熱交換器４６に送給される。室内熱交換器１４通過後の冷媒は、膨張弁１８を通らずに、したがって非減圧状態で排熱回収熱交換器４６に送給される。
【００５０】
また、エンジン３０、三方弁５３、排熱回収熱交換器４６、三方弁５２、補助排熱回収熱交換器２２、三方弁３６、ラジエータ３２およびポンプ３４は、この順序で環状に冷却水管で結合され、冷却水の流路を構成している。図１において、この冷却水流路を矢印Ｗで示す。
【００５１】
三方弁５３は、エンジン３０と排熱回収熱交換器４６との間に設けてあり、三方弁５３と三方弁５２の間が、排熱回収熱交換器４６のバイパス用の冷却水管によって結合されている。暖房運転時は、冷却水が排熱回収熱交換器４６を流れるように制御するが、冷房時はバイパスするように制御する。
【００５２】
また、三方弁５２は、排熱回収熱交換器４６と補助排熱回収熱交換器２２との間に設けてあり、三方弁５２と三方弁３６との間が、補助排熱回収熱交換器２２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。通常は、補助排熱回収熱交換器２２を用いないので、三方弁５２を制御して、冷却水を補助排熱回収熱交換器２２に流さずにバイパス用の冷却水管に流すようにする。補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を流すのは、室外熱交換器２０の除霜を行う場合と、排熱回収熱交換器４６から流れ出た冷却水の温度が予め設定された設定温度より高い場合である。
【００５３】
三方弁３６とポンプ３４との間が、ラジエータ３２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。冷却水の温度が低い場合は、冷却水をラジエータ３２に流さずにバイパス用の冷却水管に流すように三方弁３６を制御する。
【００５４】
この実施の形態では、排熱回収熱交換器４６は、シェル内に冷却水管が収められた構造のシェルアンドコイル熱交換器またはシェルアンドチューブ熱交換器である。冷却水管内に圧縮機２６の動力源（エンジン３０）からの冷却水が流され、シェル内に冷媒が充填されるように構成してある。シェル内の冷媒は冷却水の熱を奪って気化する。気化した冷媒は、比重の差によりシェル上部に自然かつスムーズに移動する。このように、冷媒液の加熱および冷媒ガスの移動が効率良く行われるので、冷媒ガスがシェル内に滞留しにくく、良好な熱交換率が得られる。
【００５５】
また、第１、第２および第３弁５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、それぞれ電磁弁５４ａ、５４ｂおよび５４ｃにより構成されている。さらに、各電磁弁５４ａ〜５４ｃの流路方向後段には、それぞれ逆止弁５６ａ、５６ｂおよび５６ｃが設けられている。すなわち、第１弁５０ａは電磁弁５４ａおよび逆止弁５６ａにより、第２弁５０ｂは電磁弁５４ｂおよび逆止弁５６ｂにより、および第３弁５０ｃは電磁弁５４ｃおよび逆止弁５６ｃにより、それぞれ構成されている。電磁弁の後段に逆止弁を設けている理由は、電磁弁の閉止状態を維持するためである。
【００５６】
暖房運転時は、各弁５０ａ〜５０ｃを構成している電磁弁の開閉を次のように制御する。排熱回収熱交換器４６内の冷媒液面の低下を検知したとき、第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを開き、第２弁５０ｂを閉める。排熱回収熱交換器４６の冷媒の出口側が膨張弁１８の低圧側（図１中のＤ点）に開放されるため、排熱回収熱交換器４６の冷媒の出口側（図１中のＥ点）は入口側（レシーバタンク４８側）に比べて低圧になる。シェル内の冷媒ガスは膨張弁１８の低圧側（室外熱交換器２０の入口側）に吸い出されるため、（図１中、白抜き矢印Ｚで示す。）レシーバタンク４８から排熱回収熱交換器４６への液冷媒の移動が短時間に行われる。この結果、排熱回収熱交換器４６に液冷媒が新たに充填される。以上が室内熱交換器１４で凝縮した冷媒を非減圧状態で排熱回収熱交換器４６に送給する充填モードである。尚、この充填モ−ドの場合には、膨張弁１８を通る冷媒の量は、一時的に減少するが、上述した第１暖房サイクルは、駆動状態にある。
【００５７】
排熱回収熱交換器４６に冷媒が充填され、冷媒液面が所定の高さになったときは、第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを閉めて、第２弁５０ｂを開く。この結果、排熱回収熱交換器４６で圧縮機２６の動力源であるエンジンの排熱を利用して蒸発した冷媒ガスが室内熱交換器１４へ送給されるようになり、室内熱交換器１４に送給された冷媒ガスが室内熱交換器１４で凝縮して第２暖房サイクルの暖房運転が行われる。以上が暖房モードである。この暖房モ−ドでは、上述した第１および第２暖房サイクルの駆動が併存する。
【００５８】
このように、各弁の開閉制御により、充填モードと暖房モードとを交互に繰り返すバッチ方式の運転が行われる。
【００５９】
上述した弁の開閉制御を行うために、排熱回収熱交換器４６内には、シェル内に収容されている冷媒の収容レベル、従って冷媒液面（気液接触面）の高さを検知するための冷媒液面検知手段（不図示）が設けられる。この冷媒液面検知手段は、高さの異なる２つの、すなわち第１の設定レベルと、この第１の設定レベルより高い第２の設定レベルを基準レベルとする。そして、この場合には、液面レベルが第１の設定レベル以下であるか、或いは、第２の設定レベル以上であるかを検知するように構成されている。冷媒液面検知手段は、冷媒液の液面レベルが第１の設定レベル、ここでは低液面レベル、以下であることを検知すると、弁の開閉制御手段（不図示）にその旨の信号を出力する。その信号を受けて開閉制御手段は、充填モードへ移行するための弁の開閉制御（第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを開き、第２弁５０ｂを閉める。）を行う。また、冷媒液面検知手段は、冷媒液の液面レベルが第２の設定レベルすなわち高液面レベル以上であることを検知すると、弁の開閉制御手段にその旨の信号を出力する。その信号を受けて開閉制御手段は、暖房モードへ移行するための弁の開閉制御（第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを閉めて、第２弁５０ｂを開く。）を行う。
【００６０】
冷媒液面検知手段の検知方式には、例えば以下に示す（１）〜（３）の周知の方式を用いることができる。
【００６１】
（１）電極棒方式
２本の電極棒をシェル内に挿入しておく。液面が上昇して２本の電極が液に埋没すると電極間に電流が流れ、液面が下降して電極が液面上に露出すると電流が絶たれることを利用する。
【００６２】
（２）フロートスイッチ方式
液面の昇降に従って上下する浮きで接点を開閉するスイッチを利用する。
【００６３】
（３）温度差方式
冷媒をキャピラリーチューブ（細管）で吸い出し、発熱線で加熱して加熱前後の冷媒温度を測定する。冷媒が液であれば加熱した熱量は冷媒の蒸発に使われるので温度差が小さいが、冷媒がガスであればその温度差が大きくなることを利用する。
【００６４】
次に図１を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。まず、室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路Ｘにおける第１暖房サイクル（図１中の黒塗り矢印で示される流れ）について説明する。
【００６５】
▲１▼室外熱交換器２０で気化した冷媒は、補助排熱回収熱交換器２２、四方弁２８およびアキュムレータ２４を経て圧縮機２６に送られる。気化した冷媒は、圧縮機２６にて高温、高圧のガスになる（図１のＡ→Ｂ）。
【００６６】
▲２▼圧縮機２６にて高温、高圧となった冷媒ガスは、四方弁２８を経て、室内熱交換器１４に送られ、この室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図１のＢ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風（図中、矢印Ｑで示す。）となり、暖房効果を生ずる。
【００６７】
▲３▼液化した冷媒はレシーバタンク４８および膨張弁１８を経て室外熱交換器２０に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８で減圧される（図１のＣ→Ｄ）。
【００６８】
▲４▼減圧された冷媒は室外熱交換器２０で外気から熱を奪って（図中、矢印Ｐで示す。）蒸発する（図１のＤ→Ａ）。
【００６９】
▲５▼蒸発した冷媒ガスは再び圧縮機２６に戻り、同様の第１暖房サイクルを繰り返す。
【００７０】
次に、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路Ｙにおける第２暖房サイクル（図１中の白抜き矢印Ｙで示される流れ）について説明する。
【００７１】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は、第２弁５０ｂを経て室内熱交換器１４に送られる。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図１のＥ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【００７２】
▲２▼液化した冷媒はレシーバタンク４８および第１弁５０ａを経て排熱回収熱交換器４６に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８を通らないために減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【００７３】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【００７４】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び室内熱交換器１４に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【００７５】
以上説明したように、この実施の形態のエアコンでは、室外熱交換器２０と排熱回収熱交換器４６とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。従って、通常の暖房モードにおいては、第１暖房サイクルへのエンジン３０からの排熱の寄与はなく、第１暖房サイクルでは外気からの採熱によって冷媒を蒸発させる外気採熱運転が行われる。一方、第２暖房サイクルでは外気採熱を行わずに、エンジン３０の排熱を利用して冷媒を蒸発させる。このように、この発明のヒ−トポンプ、従って、空調機によれば、これら第１および第２暖房サイクルの組み合わせ駆動により、排熱利用に影響されることなく外気採熱を可能とし、その結果、従来に比べて暖房能力および成績係数が向上する。
【００７６】
また、第２暖房サイクルでは、膨張弁１８によって冷媒を減圧させる工程が無いため、第２暖房サイクルを循環させるための動力は不要である。ただし、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際に、若干の圧力損失が生じ、さらに、充填モードでガス冷媒が膨張弁１８の低圧側に吸い出されるため、多少圧力が低下する。しかし、その後の暖房モードにおいて、排熱回収熱交換器４６で冷媒の加熱および蒸発が行われることによって、自然に昇圧する。よって、やはり圧縮機などの動力は不要である。
【００７７】
なお、三方弁５２を制御して、補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を供給することにより、室外熱交換器２０の除霜が行える。また、排熱回収熱交換器４６通過後の冷却水の温度が、設定した値よりも高い場合、補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を供給することにより、冷却水の温度を下げることができる。その際に冷却水から奪われた熱量は冷媒の気化に利用される。よって、ラジエータ３２からの無駄な放熱を抑えることができる。
【００７８】
このような、三方弁５２の制御は、例えば下記の通りに行えばよい。排熱回収熱交換器４６の冷却水の戻り流路に温度センサを設けておく。センサが測定した冷却水の温度を判定部に送る。この判定部には、予め、三方弁５２の切り替えを行う制御信号を出力させるための基準温度値を設定温度として設定しておく。測定温度が判定部に入力すると、この測定温度を設定温度と比較する。測定温度の方が設定温度より高ければ、三方弁５２を通る冷却水が補助排熱回収熱交換器２２を流れるように切り替える制御信号を当該三方弁５２に出力する。
【００７９】
一方、測定温度の方が設定温度より低ければ、三方弁５２を通る冷却水が補助排熱回収熱交換器２２をバイパスして流れるように切り替える制御信号を当該三方弁５２に出力する。
【００８０】
尚、この三方弁５２の切り替え制御は、上述した２通りのみならず、設計に応じた任意好適な切り替え制御とすることが可能である。
【００８１】
三方弁５３は、冷却水が暖房運転時は排熱回収熱交換器４６を通り、また、冷房運転時は、冷却水がこの排熱回収熱交換器４６をバイパスして三方弁５２に入るように、制御する。また、三方弁３６は、ワックス弁などが用いられるため、三方弁３６を通る冷却水の温度が高い場合には、冷却水が自動的にラジエータ３２を流れるように切り替わる。
【００８２】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、電磁弁の開閉によって運転されるバッチ方式のヒートポンプエアコンにつき説明した。このエアコンでは、第２暖房サイクルを循環させるために圧縮機などの動力を必要としない。ところで、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際の圧力損失分を補うために圧縮機やポンプを使用すると、充填モードを行う必要が無くなり、連続運転が可能となる。
【００８３】
図２は、第２の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。以下、第１の実施の形態のエアコンと異なる点について主として説明する。
【００８４】
エアコン本体は室内機１０と室外機４４ａとで構成される。室外機４４ａには、エンジン３０または電動モータ６０を動力源とする第２圧縮機５８が新たに追加されている。一方、第２の実施の形態の構成例における室外機４４ａからは、第１の実施の形態に含まれていたレシーバタンク４８および弁５０ａ〜５０ｃが削除されている。
【００８５】
この例では、排熱回収熱交換器４６がレシーバタンク４８のあった位置に設けられ、排熱回収熱交換器４６はレシーバタンクとして兼用される。すなわち、排熱回収熱交換器４６は、室内熱交換器１４の出口と膨張弁１８の入口との間に結合されていて、かつ、その出口は、第２圧縮機５８の入口に結合されている。尚、室内熱交換器１４に結合する管と膨張弁１８に結合する管は、液冷媒を流すために排熱回収熱交換器４６の下部に結合され、第２圧縮機５８に結合する管は蒸発したガス冷媒を流すため、排熱回収熱交換器４６の上部に結合されている。尚、冷却水は、第１の実施の形態の場合と同様に、冷却水流路Ｗによって、排熱回収熱交換器４６を循環する。
【００８６】
また、第２圧縮機５８の出口側の冷媒管は、四方弁２８と室内熱交換器１４とを結ぶ冷媒管に結合される。室内熱交換器１４の入口から排熱回収熱交換器４６までの流路は、第１と第２の冷媒流路ＸおよびＹで共通である。
【００８７】
次に、図２を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路Ｘにおける第１暖房サイクル（図２中の黒塗り矢印で示される流れ）については、第１の実施の形態で行った説明と実質的に変わりない。以下、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路Ｙにおける第２暖房サイクル（図２中の白抜き矢印で示される流れ）について説明する。
【００８８】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は、第２圧縮機５８に送られる。冷媒は第２圧縮機５８により圧縮された後、室内熱交換器１４に送られる（図２のＥ→Ｆ）。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図２のＦ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【００８９】
▲２▼液化した冷媒は排熱回収熱交換器４６に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８を通らないので減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【００９０】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【００９１】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び第２圧縮機５８に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【００９２】
以上説明したように、図２の構成例では、排熱回収熱交換器４６で蒸発した冷媒を、第２圧縮機５８によって圧縮してから、室内熱交換器１４に送るために、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際の圧力損失分をこの第２圧縮機５８により補うことができる。このため連続運転が可能となる。
【００９３】
また、この構成によれば、排熱回収熱交換器４６をレシーバタンクとして用いることができるので、レシーバタンクを省略できる。
【００９４】
［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。以下、第１の実施の形態のエアコンと異なる点について主として説明する。
【００９５】
エアコン本体は室内機１０と室外機４４ｂとで構成される。室外機４４ｂには、ポンプ６２および逆止弁６４が新たに追加されている。一方、この第３の実施の形態では、室外機４４ｂからは、第１の実施の形態で説明した弁５０ａ〜５０ｃが削除されている。
【００９６】
この第３の実施の形態の構成例では、排熱回収熱交換器からの蒸発した冷媒を室内熱交換器に連続的に送給するために、この室内熱交換器からの凝縮した冷媒を排熱回収熱交換器に強制的に送給するように構成している。
【００９７】
このため、第３の実施の形態の構成例では、弁５０ａ〜５０ｃを用いずに、排熱回収熱交換器４６を経る第２暖房サイクルを連続的に行わせる構成となっている。
【００９８】
すなわち、この構成例では、排熱回収熱交換器４６に上述したと同様な冷媒液面検知手段（図示していない）を設け、第１の設定レベル（低液面レベル）と第２の設定レベル（高液面レベル）を基準レベルとして設定しておく。冷媒液面検知手段は、冷媒の液面レベルが第１の設定レベル（低液面レベル）以下であることを検知すると、ポンプの運転制御手段（図示していない）にその旨の信号を出力する。その信号を受けてポンプの運転制御手段はポンプを稼働させる。また、液面検知手段は、冷媒の液面レベルが第２の設定レベル（高液面レベル）以上であることを検知すると、ポンプの運転制御手段にその旨の信号を出力する。その信号を受けてポンプ制御手段は、ポンプを停止させる。
【００９９】
上述のポンプ６２は、レシーバタンク４８の出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間に結合されている。また、ポンプ６２の出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間に逆止弁６４が挿入されている。排熱回収熱交換器４６の出口側の冷媒管は、四方弁２８と室内熱交換器１４とを結ぶ冷媒管に結合される。室内熱交換器１４の入口からレシーバタンク４８の出口までの流路は第１と第２の冷媒流路ＸおよびＹで共通である。
【０１００】
次に図３を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路における第１暖房サイクル（図３中の黒塗り矢印で示される流れ）については、第１の実施の形態で行った説明と実質的に変わりない。以下、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路における第２暖房サイクル（図３中の白抜き矢印で示される流れ）について説明する。
【０１０１】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は室内熱交換器１４に送られる。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図５のＦ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【０１０２】
▲２▼液化した冷媒はレシーバタンク４８を経てポンプ６２に送られる。冷媒はポンプ６２により昇圧される（図５のＣ→Ｅ）。続いて冷媒は逆止弁６４を経て排熱回収熱交換器４６に送られる。以上の過程で冷媒液は膨張弁１８を通らないために減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【０１０３】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【０１０４】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び室内熱交換器１４に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【０１０５】
以上説明したように、図３の構成例では、排熱回収熱交換器４６内の冷媒液面が低下してきたらポンプ６２を稼働して、レシーバタンク４８から排熱回収熱交換器４６へ冷媒を移動させる。このため連続運転が可能となる。
【０１０６】
【実施例】
次に、第１の実施の形態で説明したヒートポンプエアコンを構成する室外機４４の暖房能力測定結果につき説明する。ここでは、ヤマハ発動機（株）製のＹＣＪ８０ＥＮ−Ｃ（商品名）をベース機として用いて構成した室外機４４を、測定対象として用いている。
【０１０７】
図４は、測定装置の構成を示すブロック図である。測定対象の室外機４４は温度調節が可能な冷凍試験室６６に設置される。観測室６８には、冷媒／水熱交換器７０、水槽７２、ボイラ７４および冷却塔７６が設置される。図１において室内熱交換器１４内に延在していた部分に相当する冷媒管は、冷媒／水熱交換器７０内に設けられる。冷媒管内の冷媒の圧力は圧力計７８によって測定される。また、ポンプ８０により水槽７２から水が汲み上げられ、この水が冷媒／水熱交換器７０と水槽７２との間に循環される。水の流量は流量計８２により測定される。冷媒／水熱交換器７０流入前の水温が温度計８４により測定され、冷媒／水熱交換器７０流出後の水温が温度計８６により測定されて、これらの温度差が求められる。これら流量および温度差から、冷媒／水熱交換器７０における放熱量が求められる。
【０１０８】
また、ポンプ８８により水槽７２から水が汲み上げられ、この水が冷却塔７６、ボイラ７４および水槽７２間に循環される。この水の流路に三方弁９０が挿入されていて、この三方弁９０の開閉とボイラの運転／停止が圧力計７８の測定結果に応じて制御される。この制御の結果、室内機を用いる場合と冷媒の凝縮圧力が等しくなる。よって、冷媒／水熱交換器７０を使用する図４の構成の測定装置は、冷媒／水熱交換器７０の代わりに室内機を使用する場合と等価な条件で運転しているとみなすことができる。また、室外機４４を構成するエンジンの回転数は専用のサービスチェッカにより制御する。
【０１０９】
なお、あらかじめ、観測室６８に設置した室内機を使用して、室内機吸込空気をＪＩＳ条件に合わせて運転し、冷媒の蒸発圧力（低圧）と凝縮圧力（高圧）とを測定しておく。室内機としては、一例として、ヤマハ発動機（株）製のＹＥＳＪ９０Ｄ−Ａ（商品名）が用いられる。
【０１１０】
測定条件は以下の通りである。エンジン回転数は、最高回転数（定格回転数）２５００ｒｐｍに設定する。また、外気の乾球温度が７℃（ＪＩＳ標準）、０℃、−１０℃の場合についてそれぞれ測定を行う。
【０１１１】
また、補助排熱回収熱交換器を使用せず、排熱回収熱交換器を使用する場合につき測定を行う。比較対照として、排熱回収熱交換器を使用せず、補助排熱回収熱交換器を使用する場合についても測定を行う。前者は第１の実施の形態で説明した新方式の通常時の暖房運転であり、後者は在来方式の暖房運転に相当する。
【０１１２】
測定結果を表１、図５および図６にそれぞれ示す。図５は、暖房能力の外気温度依存性を示すグラフである。図６は、ＰＥＲの外気温度依存性を示すグラフである。
【０１１３】
表１の６Ｂガスとはエンジンの燃料である。また、「新熱交」とは排熱回収熱交換器のことであり、「旧熱交」とは補助排熱回収熱交換器のことである。
【０１１４】
図５の横軸は外気温度を℃単位で示すものであり、縦軸は暖房熱量を［ｋＷ］で示すものである。図６の横軸は外気温度を℃単位で示すものであり、縦軸はＰＥＲを示すものである。図５および図６の各図において、実線ａは在来方式の測定結果を示し、実線ｂは新方式の測定結果を示す。
【０１１５】
【表１】
【０１１６】
これらの測定結果の通り、外気温度約７℃での暖房能力は、在来方式で８．６９［ｋＷ］に対し、新方式では１０．０２［ｋＷ］と増加している。また、成績係数は０．７４から０．８８へ０．１４向上している。
【０１１７】
また、外気温度７℃より０℃の方が成績係数が高いが、これは７℃ではラジエータからの放熱があるためと思われる。これは排熱を完全に使い切っていないことを意味するので、排熱回収熱交換器の熱交換面積を大きくすることにより改善される余地が残されている。
【０１１８】
外気温度−１０℃では効果が小さいのは、定格回転数では室外熱交換器での冷媒蒸発圧力が低く、低圧異常で停止してしまうため、圧力が１２０ｋＰａを下回った場合は、排熱回収熱交換器を通った後の冷却水を補助排熱回収熱交換器にも通すように三方弁を制御することにより、低圧異常を回避する制御を組み込んだためと思われる。電動ヒートポンプでは運転が可能であることを考えると、膨張弁制御が最適ではなく、改善の余地が残されていると思われる。
【０１１９】
以上のように、新方式の、暖房能力の増大および成績係数の向上の効果を確認することができた。
【０１２０】
【発明の効果】
この発明の空調方法によれば、室外熱交換器と排熱回収熱交換器とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。そして、室外熱交換器では外気採熱により、排熱回収熱交換器では排熱利用により、それぞれ冷媒を気化させる。従って、排熱利用に影響されることなく外気採熱が可能となり、従来方法に比べて暖房能力および成績係数の向上が図れる。
【０１２１】
また、排熱回収熱交換器では、凝縮した冷媒を膨張弁で減圧することなく、高圧のまま加熱・蒸発させるため、大きな動力を用いずに第２暖房サイクルを循環させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図３】第３の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図４】測定装置の構成を示す図である。
【図５】暖房能力の外気温度依存性を示す図である。
【図６】ＰＥＲの外気温度依存性を示す図である。
【図７】従来のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図８】従来のヒートポンプサイクルにおける冷媒状態を示す図である。
【符号の説明】
１０：室内機
１２，４４，４４ａ，４４ｂ：室外機
１４：室内熱交換器
１６，４８：レシーバタンク
１８：膨張弁
２０：室外熱交換器
２２：補助排熱回収熱交換器（従来構成では排熱回収器）
２４：アキュムレータ
２６：圧縮機
２８：四方弁
３０：エンジン
３２：ラジエータ
３４，６２，８０，８８：ポンプ
３６，５２，５３，９０：三方弁
４６：排熱回収熱交換器
５０ａ：第１弁
５０ｂ：第２弁
５０ｃ：第３弁
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ：電磁弁
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，６４：逆止弁
５８：第２圧縮機
６０：電動モータ
６６：冷凍試験室
６８：観測室
７０：冷媒／水熱交換器
７２：水槽
７４：ボイラ
７６：冷却塔
７８：圧力計
８４，８６：温度計
８２：流量計
【発明の属する技術分野】
この発明は、空調方法、ヒートポンプおよび空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン駆動式ヒートポンプを空調装置（いわゆるエアコンと称する。）として用いたエンジン駆動式ヒ−トポンプエアコンは、エンジンにより駆動される圧縮機を用いて冷房および暖房を行う空調機である。ヒートポンプサイクル自体は電気式エアコンと同じである。ただし、電気式エアコンでは圧縮機を電動モータで駆動する点がエンジン駆動式のものと異なる。エンジン駆動式のものはエンジン排熱等を熱源として暖房に利用できる利点がある。
【０００３】
図７は、従来のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成の代表的な一例を示すブロック図である。エアコン本体は、室内機１０と室外機１２とで構成される。室内機１０には室内熱交換器１４が搭載されている。室外機１２には、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４、圧縮機２６、四方弁２８、エンジン３０、ラジエータ３２、ポンプ３４および三方弁３６が搭載されている。
【０００４】
室内熱交換器１４、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６は、この順序で環状に冷媒管で結合され、冷媒の流路を構成している。ただし、排熱回収器２２とアキュムレータ２４との間、および圧縮機２６と室内熱交換器１４との間は、それぞれ共通の四方弁２８を介して結合されている。四方弁２８によって冷媒の流れを変えることにより、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。図７は暖房運転時の様子を示しており、冷媒は、室内熱交換器１４、レシーバタンク１６、膨張弁１８、室外熱交換器２０、排熱回収器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６の順に流れる。冷房運転時の冷媒の流れは室内熱交換器１４、アキュムレータ２４、圧縮機２６、排熱回収器２２、室外熱交換器２０、レシーバタンク１６および冷房用膨張弁（図に示していない。）の順に流れる。
【０００５】
エンジン３０、排熱回収器２２、三方弁３６、ラジエータ３２およびポンプ３４は、この順序で環状に冷却水管で結合され、冷却水の流路を構成している。ポンプ３４と三方弁３６との間が、ラジエータ３２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。
【０００６】
図７を参照して、暖房運転時の空調機の動作を説明する。
【０００７】
▲１▼室外熱交換器２０および排熱回収器２２で気化した冷媒は、圧縮機２６にて高温、高圧のガスになる（図７のＡ→Ｂ）。
【０００８】
▲２▼圧縮機２６にて高温、高圧となった冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図７のＢ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風となり、暖房効果を生ずる。
【０００９】
▲３▼液化した冷媒は膨張弁１８で減圧される（図７のＣ→Ｄ）。
【００１０】
▲４▼減圧された冷媒は室外熱交換器２０で外気から熱を奪い、さらに排熱回収器２２に入ってエンジン３０の冷却水から熱を奪って蒸発する（図７のＤ→Ａ）。すなわち、エンジン駆動式ヒートポンプは室外熱交換器２０と排熱回収器２２との２種類の蒸発器を持つ。
【００１１】
▲５▼蒸発した冷媒ガスは再び圧縮機２６に戻り、同様のサイクルを繰り返す。
【００１２】
図８は、従来構成の説明図であって、上述のヒートポンプサイクルにおける冷媒状態を示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）である。図８中のＡ、Ｂ、ＣおよびＤの冷媒状態は、図７に示すＡ、Ｂ、ＣおよびＤの位置での冷媒状態にそれぞれ対応している。ＡおよびＢ点では、冷媒は気相状態にあり、Ｃ点では、冷媒は液相状態にあり、Ｄ点では気液混合状態にある。図８の線図中、横軸は比エンタルピｈ［ｋＪ／ｋｇ］であり、縦軸は圧力Ｐ［ＭＰａ］である。Ａ→Ｂは圧縮工程、Ｂ→Ｃは凝縮工程、Ｃ→Ｄは膨張工程、およびＤ→Ａは蒸発工程である。曲線ａは飽和曲線を示す。Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおける比エンタルピの値を、それぞれｈＡ、ｈＢ、ｈＣおよびｈＤとする。
【００１３】
冷媒循環量Ｗ［ｋｇ／ｈ］とすると、暖房熱量は（ｈＢ−ｈＣ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］、外気採熱量と排熱回収量の合計熱量は（ｈＡ−ｈＤ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］、圧縮仕事量は（ｈＢ−ｈＡ）×Ｗ［ｋＪ／ｈ］で表される。また、損失を無視すれば、暖房熱量＝外気採熱量＋排熱回収量＋圧縮仕事量の関係がある。
【００１４】
エンジン駆動式ヒートポンプの場合、排熱を利用することにより、暖房能力、すなわち最大暖房熱量が増大する。
【００１５】
また、一次エネルギー換算成績係数ＰＥＲ（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒａｔｉｏ）の暖房運転時の値ＰＥＲｈは、
ＰＥＲｈ＝（暖房熱量［ｋＪ／ｈ］）／（圧縮機の動力源が消費する一次エネルギー換算熱量［ｋＪ／ｈ］）
で表されるが、この値も排熱を利用することにより向上する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン駆動式エアコンは、排熱を利用できるので、暖房能力と成績係数が増大するが、排熱を利用すると、冷媒蒸発温度と圧力が上昇するため、外気採熱量が減少する傾向がある。特に、外気温度が冷媒蒸発温度よりも低くなると、冷媒から外気へ放熱してしまう。よって、外気温度が低い場合は、室外熱交換器は利用せずに、エンジン排熱だけを利用した方が暖房能力と成績係数とを高く保つことができる。したがって従来は、外気温度が低い場合、室外熱交換器の送風ファンを止めたり室外熱交換器をバイパスするなどにより、エンジン排熱だけで冷媒を蒸発させるように制御しているものが多い。このように、外気温度が低くなると外気採熱ができなくなるという問題がある。
【００１７】
この問題は、温度レベルの異なる２種類の蒸発器（室外熱交換器２０および排熱回収器２２）を圧力の等しい同一の蒸発工程に使用するために生じる。
【００１８】
この発明は上述した問題点の解決を図るためになされたものであり、したがってこの発明の目的は、排熱利用に影響されることなく外気採熱を可能とし、しかも、比較的高い成績係数と暖房能力とを達成できる空調方法およびヒートポンプを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明の空調方法によれば、室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行う方法であって、暖房運転にあたり、室内熱交換器の出口と排熱回収熱交換器の入口との間に第１弁を設け、排熱回収熱交換器の出口と室内熱交換器の入口との間に第２弁を設け、および排熱回収熱交換器の出口と室外熱交換器の入口との間に第３弁を設けておき、第１暖房サイクルと、第２暖房サイクルとを実行する。
【００２０】
第１暖房サイクルは、室外熱交換器で外気を利用して冷媒を蒸発させる第１工程と、室外熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮機で圧縮する第２工程と、圧縮機で圧縮された冷媒を室内熱交換器で凝縮させる第３工程と、室内熱交換器で凝縮した冷媒を膨張弁で減圧・膨張させて室外熱交換器に送給する第４工程とを含んでいる。
【００２１】
第２暖房サイクルでは、充填モード及び暖房モードが交互に実施される。充填モードは、室内熱交換器で凝縮した冷媒を非減圧状態で排熱回収熱交換器に送給する第５工程からなる。暖房モードは、排熱回収熱交換器で圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させる第６工程と、排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒を室内熱交換器に送給する第７工程と、室内熱交換器で冷媒を凝縮させる第８工程とからなる。
そして、排熱回収熱交換器中に収容されている凝縮した冷媒の収容レベルが予め設定した第１設定レベル以下であることを検知して、第１及び第３弁を開いて排熱回収熱交換器の出口側を入口側よりも低圧にするとともに、第２弁を閉じて充填モードに切り替える。また、凝縮した冷媒の収容レベルが、第１設定レベルより高い、予め設定した第２設定レベル以上であることを検知して、第１及び第３弁を閉じるとともに、第２弁を開いて暖房モードに切り替える。
【００２２】
この方法によれば、室外熱交換器と排熱回収熱交換器とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。そして、室外熱交換器では外気採熱により、排熱回収熱交換器では排熱利用により、それぞれ冷媒を気化させる。従って、排熱利用に影響されることなく外気採熱が可能となり、従来方法に比べて暖房能力および成績係数の向上が図れる。
【００２３】
また、排熱回収熱交換器では、凝縮した冷媒を膨張弁で減圧することなく高圧のまま加熱・蒸発させるため、大きな動力を用いずに、第２暖房サイクルを循環させることが出来る。
【００２４】
また、この発明のヒートポンプによれば、室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行うヒートポンプであって、暖房運転において、室外熱交換器は外気を利用して冷媒を蒸発させるものであり、室外熱交換器で蒸発した冷媒は四方弁を経て圧縮機に送給され、圧縮機で圧縮された冷媒はこの四方弁を経て室内熱交換器に送給され、室内熱交換器で凝縮した冷媒は膨張弁を経て室外熱交換器に送給されるように構成されており、排熱回収熱交換器は圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させるものであり、排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒は室内熱交換器に送給され、室内熱交換器で凝縮した冷媒は非減圧状態で排熱回収熱交換器に送給されるように構成されている。そして、このヒートポンプは、室内熱交換器の出口と膨張弁の入口との間が受液器すなわちレシ−バタンクを介して結合され、受液器の出口および膨張弁の入口間の結合部と排熱回収熱交換器の入口との間が第１弁を介して結合され、排熱回収熱交換器の出口と四方弁の出口および室内熱交換器の入口間の結合部との間が第２弁を介して結合され、排熱回収熱交換器の出口および第２弁の結合部と膨張弁の出口および室外熱交換器の入口間の結合部との間が第３弁を介して結合されている。
【００２５】
この装置によれば、上述した空調方法を実施することができる。
【００２７】
各弁の開閉を次のように制御する。排熱回収熱交換器内の冷媒液面の低下を検知したとき、第１および第３弁を開き、第２弁を閉める。排熱回収熱交換器の冷媒の出口側が膨張弁の出口の低圧側に開放されるため、排熱回収熱交換器の冷媒の出口側は入口側（受液器側）に比べて低圧になる。このため、受液器から排熱回収熱交換器への液冷媒の移動が短時間に行われる。この結果、排熱回収熱交換器に液冷媒が新たに充填される（充填モ−ド）。
【００２８】
排熱回収熱交換器に冷媒が充填され、冷媒液面が所定の高さになったとき、第１および第３弁を閉めて、第２弁を開く。その結果、冷却水により冷媒が加熱されて蒸発することによって、シェル内の圧力が上昇し、排熱回収熱交換器から室内熱交換器へ蒸発した冷媒が移動し、よって、暖房運転が行われる（暖房モ−ド）。
【００２９】
このように、充填モードと暖房モードとを交互に繰り返すバッチ方式の運転が実現される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図は、この発明が理解できる程度に形状、結合関係および配置関係を概略的に示すものに過ぎない。よって、この発明は、図示例に何ら限定されることがない。
【００４３】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。エアコン本体は室内機１０と室外機４４とで構成される。室内機１０には室内熱交換器１４が搭載されている。室外機４４には室外熱交換器２０および排熱回収熱交換器４６が搭載されている。また、室外機４４には補助排熱回収熱交換器２２も搭載されている。そのほかに室外機４４には、レシーバタンク（受液器）４８、膨張弁１８、アキュムレータ２４、圧縮機２６、四方弁２８、エンジン３０、ラジエータ３２、ポンプ３４、三方弁３６、第１弁５０ａ、第２弁５０ｂ、第３弁５０ｃ、三方弁５２および三方弁５３が搭載されている。
【００４４】
上述の圧縮機２６は、エンジン３０により駆動され、冷媒を圧縮して圧力を高める機械である。また、膨張弁１８は、液化した高圧の冷媒を絞り膨張により減圧させかつ冷媒流量を調節するための弁である。熱交換器とは、異なる温度の二流体間で熱の授受を行わせる装置のことをいう。レシーバタンク（受液器）４８は、ヒートポンプにおいて冷媒回路内の冷媒量分布を調整する目的で、主として凝縮器（この例の室内熱交換器１４に相当する。）の出口に設けられる冷媒液貯留用の容器である。アキュムレータ２４は液分離器であり、液冷媒が圧縮機に吸収されることを防ぐために用いられる。ラジエータ３２は、温度の高い冷却水から熱を外気に放熱（図１中、矢印Ｓで示す。）することにより、冷却水を冷却する熱交換器である。
【００４５】
この実施の形態のエアコンすなわち空調機は、室内熱交換器１４と室外熱交換器２０および排熱回収熱交換器４６との間に冷媒を循環させて室内の空調を行う。そのため、このエアコンには、室内熱交換器１４と室外熱交換器２０との間に冷媒を流すための第１の冷媒流路（図１中、黒塗りの矢印Ｘで示す循環流路）、および室内熱交換器１４と排熱回収熱交換器４６との間に冷媒を流すための第２の冷媒流路（図１中、白抜きの矢印Ｙで示す循環流路）がそれぞれ設けられている。
【００４６】
第１の冷媒流路Ｘは、室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、膨張弁１８、室外熱交換器２０、補助排熱回収熱交換器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６がこの順序で環状に冷媒管で結合されたものである。ただし、補助排熱回収熱交換器２２とアキュムレータ２４との間、および圧縮機２６と室内熱交換器１４との間は、それぞれ共通の四方弁２８を介して結合されている。四方弁２８によって冷媒の流れを変えることにより、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。図１は暖房運転時の様子を示しており、冷媒は、室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、膨張弁１８、室外熱交換器２０、補助排熱回収熱交換器２２、アキュムレータ２４および圧縮機２６の順に流れる。冷房運転を行うためには、室内熱交換器１４とレシーバタンク４８との間に冷房用膨張弁（図示していない）を設けておく。冷房運転時の冷媒は、室内熱交換器１４、アキュムレータ２４、圧縮機２６、補助排熱回収熱交換器２２、室外熱交換器２０、レシーバタンク４８および冷房用膨張弁の順に流れる。
【００４７】
暖房運転において、上述の室外熱交換器２０は外気を利用して冷媒を蒸発させるものである。上述した構成によれば、室外熱交換器２０で蒸発した冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上の補助排熱回収熱交換器２２およびアキュムレータ２４を経て、圧縮機２６に送給される。圧縮機２６で圧縮された冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上の室内熱交換器１４に送給される。さらに、室内熱交換器１４で凝縮した冷媒は、第１の冷媒流路Ｘ上のレシーバタンク４８および膨張弁１８を経て、室外熱交換器２０に送給される。このような順次の冷媒の流れによる暖房サイクルを第１暖房サイクルとする。
【００４８】
また、レシーバタンク４８の出口側（膨張弁１８に結合される側）の冷媒管は２つに分岐してる。第１の冷媒流路Ｘ上の一方の冷媒管は、上述した膨張弁１８の入口に結合されている（膨張弁１８の出口は室外熱交換器２０の入口に結合されている。）。そして、第２の冷媒流路Ｙ上の他方の冷媒管は第１弁５０ａの入口に結合されている。第１弁５０ａの出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間は結合されている。また、排熱回収熱交換器４６の出口と室内熱交換器１４の入口との間は第２弁５０ｂを介して結合されている。さらに、排熱回収熱交換器４６および第２弁５０ｂの結合部と、膨張弁１８および室外熱交換器２０間の結合部との間が第３弁５０ｃを介して結合されている。室内熱交換器１４、レシーバタンク４８、第１弁５０ａ、排熱回収熱交換器４６および第２弁５０ｂは、この順序で環状に冷媒管で結合され、第２の冷媒流路を構成している。室内熱交換器１４の入口からレシーバタンク４８の出口までの流路は、第１および第２の冷媒流路ＸおよびＹに共通である。
【００４９】
上述の排熱回収熱交換器４６は、圧縮機２６の動力源であるエンジン３０の排熱を利用して冷媒を蒸発させるものである。上述した構成によれば、排熱回収熱交換器４６で蒸発した冷媒は、第２の冷媒流路Ｙ上の第２弁５０ｂを経て室内熱交換器１４に送給される。室内熱交換器１４で凝縮した冷媒は、後述するように、第２の冷媒流路Ｙ上のレシーバタンク４８および第１弁５０ａを経て、排熱回収熱交換器４６に送給される。室内熱交換器１４通過後の冷媒は、膨張弁１８を通らずに、したがって非減圧状態で排熱回収熱交換器４６に送給される。
【００５０】
また、エンジン３０、三方弁５３、排熱回収熱交換器４６、三方弁５２、補助排熱回収熱交換器２２、三方弁３６、ラジエータ３２およびポンプ３４は、この順序で環状に冷却水管で結合され、冷却水の流路を構成している。図１において、この冷却水流路を矢印Ｗで示す。
【００５１】
三方弁５３は、エンジン３０と排熱回収熱交換器４６との間に設けてあり、三方弁５３と三方弁５２の間が、排熱回収熱交換器４６のバイパス用の冷却水管によって結合されている。暖房運転時は、冷却水が排熱回収熱交換器４６を流れるように制御するが、冷房時はバイパスするように制御する。
【００５２】
また、三方弁５２は、排熱回収熱交換器４６と補助排熱回収熱交換器２２との間に設けてあり、三方弁５２と三方弁３６との間が、補助排熱回収熱交換器２２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。通常は、補助排熱回収熱交換器２２を用いないので、三方弁５２を制御して、冷却水を補助排熱回収熱交換器２２に流さずにバイパス用の冷却水管に流すようにする。補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を流すのは、室外熱交換器２０の除霜を行う場合と、排熱回収熱交換器４６から流れ出た冷却水の温度が予め設定された設定温度より高い場合である。
【００５３】
三方弁３６とポンプ３４との間が、ラジエータ３２のバイパス用の冷却水管によって結合されている。冷却水の温度が低い場合は、冷却水をラジエータ３２に流さずにバイパス用の冷却水管に流すように三方弁３６を制御する。
【００５４】
この実施の形態では、排熱回収熱交換器４６は、シェル内に冷却水管が収められた構造のシェルアンドコイル熱交換器またはシェルアンドチューブ熱交換器である。冷却水管内に圧縮機２６の動力源（エンジン３０）からの冷却水が流され、シェル内に冷媒が充填されるように構成してある。シェル内の冷媒は冷却水の熱を奪って気化する。気化した冷媒は、比重の差によりシェル上部に自然かつスムーズに移動する。このように、冷媒液の加熱および冷媒ガスの移動が効率良く行われるので、冷媒ガスがシェル内に滞留しにくく、良好な熱交換率が得られる。
【００５５】
また、第１、第２および第３弁５０ａ、５０ｂおよび５０ｃは、それぞれ電磁弁５４ａ、５４ｂおよび５４ｃにより構成されている。さらに、各電磁弁５４ａ〜５４ｃの流路方向後段には、それぞれ逆止弁５６ａ、５６ｂおよび５６ｃが設けられている。すなわち、第１弁５０ａは電磁弁５４ａおよび逆止弁５６ａにより、第２弁５０ｂは電磁弁５４ｂおよび逆止弁５６ｂにより、および第３弁５０ｃは電磁弁５４ｃおよび逆止弁５６ｃにより、それぞれ構成されている。電磁弁の後段に逆止弁を設けている理由は、電磁弁の閉止状態を維持するためである。
【００５６】
暖房運転時は、各弁５０ａ〜５０ｃを構成している電磁弁の開閉を次のように制御する。排熱回収熱交換器４６内の冷媒液面の低下を検知したとき、第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを開き、第２弁５０ｂを閉める。排熱回収熱交換器４６の冷媒の出口側が膨張弁１８の低圧側（図１中のＤ点）に開放されるため、排熱回収熱交換器４６の冷媒の出口側（図１中のＥ点）は入口側（レシーバタンク４８側）に比べて低圧になる。シェル内の冷媒ガスは膨張弁１８の低圧側（室外熱交換器２０の入口側）に吸い出されるため、（図１中、白抜き矢印Ｚで示す。）レシーバタンク４８から排熱回収熱交換器４６への液冷媒の移動が短時間に行われる。この結果、排熱回収熱交換器４６に液冷媒が新たに充填される。以上が室内熱交換器１４で凝縮した冷媒を非減圧状態で排熱回収熱交換器４６に送給する充填モードである。尚、この充填モ−ドの場合には、膨張弁１８を通る冷媒の量は、一時的に減少するが、上述した第１暖房サイクルは、駆動状態にある。
【００５７】
排熱回収熱交換器４６に冷媒が充填され、冷媒液面が所定の高さになったときは、第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを閉めて、第２弁５０ｂを開く。この結果、排熱回収熱交換器４６で圧縮機２６の動力源であるエンジンの排熱を利用して蒸発した冷媒ガスが室内熱交換器１４へ送給されるようになり、室内熱交換器１４に送給された冷媒ガスが室内熱交換器１４で凝縮して第２暖房サイクルの暖房運転が行われる。以上が暖房モードである。この暖房モ−ドでは、上述した第１および第２暖房サイクルの駆動が併存する。
【００５８】
このように、各弁の開閉制御により、充填モードと暖房モードとを交互に繰り返すバッチ方式の運転が行われる。
【００５９】
上述した弁の開閉制御を行うために、排熱回収熱交換器４６内には、シェル内に収容されている冷媒の収容レベル、従って冷媒液面（気液接触面）の高さを検知するための冷媒液面検知手段（不図示）が設けられる。この冷媒液面検知手段は、高さの異なる２つの、すなわち第１の設定レベルと、この第１の設定レベルより高い第２の設定レベルを基準レベルとする。そして、この場合には、液面レベルが第１の設定レベル以下であるか、或いは、第２の設定レベル以上であるかを検知するように構成されている。冷媒液面検知手段は、冷媒液の液面レベルが第１の設定レベル、ここでは低液面レベル、以下であることを検知すると、弁の開閉制御手段（不図示）にその旨の信号を出力する。その信号を受けて開閉制御手段は、充填モードへ移行するための弁の開閉制御（第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを開き、第２弁５０ｂを閉める。）を行う。また、冷媒液面検知手段は、冷媒液の液面レベルが第２の設定レベルすなわち高液面レベル以上であることを検知すると、弁の開閉制御手段にその旨の信号を出力する。その信号を受けて開閉制御手段は、暖房モードへ移行するための弁の開閉制御（第１および第３弁５０ａおよび５０ｃを閉めて、第２弁５０ｂを開く。）を行う。
【００６０】
冷媒液面検知手段の検知方式には、例えば以下に示す（１）〜（３）の周知の方式を用いることができる。
【００６１】
（１）電極棒方式
２本の電極棒をシェル内に挿入しておく。液面が上昇して２本の電極が液に埋没すると電極間に電流が流れ、液面が下降して電極が液面上に露出すると電流が絶たれることを利用する。
【００６２】
（２）フロートスイッチ方式
液面の昇降に従って上下する浮きで接点を開閉するスイッチを利用する。
【００６３】
（３）温度差方式
冷媒をキャピラリーチューブ（細管）で吸い出し、発熱線で加熱して加熱前後の冷媒温度を測定する。冷媒が液であれば加熱した熱量は冷媒の蒸発に使われるので温度差が小さいが、冷媒がガスであればその温度差が大きくなることを利用する。
【００６４】
次に図１を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。まず、室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路Ｘにおける第１暖房サイクル（図１中の黒塗り矢印で示される流れ）について説明する。
【００６５】
▲１▼室外熱交換器２０で気化した冷媒は、補助排熱回収熱交換器２２、四方弁２８およびアキュムレータ２４を経て圧縮機２６に送られる。気化した冷媒は、圧縮機２６にて高温、高圧のガスになる（図１のＡ→Ｂ）。
【００６６】
▲２▼圧縮機２６にて高温、高圧となった冷媒ガスは、四方弁２８を経て、室内熱交換器１４に送られ、この室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図１のＢ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風（図中、矢印Ｑで示す。）となり、暖房効果を生ずる。
【００６７】
▲３▼液化した冷媒はレシーバタンク４８および膨張弁１８を経て室外熱交換器２０に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８で減圧される（図１のＣ→Ｄ）。
【００６８】
▲４▼減圧された冷媒は室外熱交換器２０で外気から熱を奪って（図中、矢印Ｐで示す。）蒸発する（図１のＤ→Ａ）。
【００６９】
▲５▼蒸発した冷媒ガスは再び圧縮機２６に戻り、同様の第１暖房サイクルを繰り返す。
【００７０】
次に、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路Ｙにおける第２暖房サイクル（図１中の白抜き矢印Ｙで示される流れ）について説明する。
【００７１】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は、第２弁５０ｂを経て室内熱交換器１４に送られる。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図１のＥ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【００７２】
▲２▼液化した冷媒はレシーバタンク４８および第１弁５０ａを経て排熱回収熱交換器４６に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８を通らないために減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【００７３】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【００７４】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び室内熱交換器１４に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【００７５】
以上説明したように、この実施の形態のエアコンでは、室外熱交換器２０と排熱回収熱交換器４６とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。従って、通常の暖房モードにおいては、第１暖房サイクルへのエンジン３０からの排熱の寄与はなく、第１暖房サイクルでは外気からの採熱によって冷媒を蒸発させる外気採熱運転が行われる。一方、第２暖房サイクルでは外気採熱を行わずに、エンジン３０の排熱を利用して冷媒を蒸発させる。このように、この発明のヒ−トポンプ、従って、空調機によれば、これら第１および第２暖房サイクルの組み合わせ駆動により、排熱利用に影響されることなく外気採熱を可能とし、その結果、従来に比べて暖房能力および成績係数が向上する。
【００７６】
また、第２暖房サイクルでは、膨張弁１８によって冷媒を減圧させる工程が無いため、第２暖房サイクルを循環させるための動力は不要である。ただし、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際に、若干の圧力損失が生じ、さらに、充填モードでガス冷媒が膨張弁１８の低圧側に吸い出されるため、多少圧力が低下する。しかし、その後の暖房モードにおいて、排熱回収熱交換器４６で冷媒の加熱および蒸発が行われることによって、自然に昇圧する。よって、やはり圧縮機などの動力は不要である。
【００７７】
なお、三方弁５２を制御して、補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を供給することにより、室外熱交換器２０の除霜が行える。また、排熱回収熱交換器４６通過後の冷却水の温度が、設定した値よりも高い場合、補助排熱回収熱交換器２２に冷却水を供給することにより、冷却水の温度を下げることができる。その際に冷却水から奪われた熱量は冷媒の気化に利用される。よって、ラジエータ３２からの無駄な放熱を抑えることができる。
【００７８】
このような、三方弁５２の制御は、例えば下記の通りに行えばよい。排熱回収熱交換器４６の冷却水の戻り流路に温度センサを設けておく。センサが測定した冷却水の温度を判定部に送る。この判定部には、予め、三方弁５２の切り替えを行う制御信号を出力させるための基準温度値を設定温度として設定しておく。測定温度が判定部に入力すると、この測定温度を設定温度と比較する。測定温度の方が設定温度より高ければ、三方弁５２を通る冷却水が補助排熱回収熱交換器２２を流れるように切り替える制御信号を当該三方弁５２に出力する。
【００７９】
一方、測定温度の方が設定温度より低ければ、三方弁５２を通る冷却水が補助排熱回収熱交換器２２をバイパスして流れるように切り替える制御信号を当該三方弁５２に出力する。
【００８０】
尚、この三方弁５２の切り替え制御は、上述した２通りのみならず、設計に応じた任意好適な切り替え制御とすることが可能である。
【００８１】
三方弁５３は、冷却水が暖房運転時は排熱回収熱交換器４６を通り、また、冷房運転時は、冷却水がこの排熱回収熱交換器４６をバイパスして三方弁５２に入るように、制御する。また、三方弁３６は、ワックス弁などが用いられるため、三方弁３６を通る冷却水の温度が高い場合には、冷却水が自動的にラジエータ３２を流れるように切り替わる。
【００８２】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、電磁弁の開閉によって運転されるバッチ方式のヒートポンプエアコンにつき説明した。このエアコンでは、第２暖房サイクルを循環させるために圧縮機などの動力を必要としない。ところで、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際の圧力損失分を補うために圧縮機やポンプを使用すると、充填モードを行う必要が無くなり、連続運転が可能となる。
【００８３】
図２は、第２の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。以下、第１の実施の形態のエアコンと異なる点について主として説明する。
【００８４】
エアコン本体は室内機１０と室外機４４ａとで構成される。室外機４４ａには、エンジン３０または電動モータ６０を動力源とする第２圧縮機５８が新たに追加されている。一方、第２の実施の形態の構成例における室外機４４ａからは、第１の実施の形態に含まれていたレシーバタンク４８および弁５０ａ〜５０ｃが削除されている。
【００８５】
この例では、排熱回収熱交換器４６がレシーバタンク４８のあった位置に設けられ、排熱回収熱交換器４６はレシーバタンクとして兼用される。すなわち、排熱回収熱交換器４６は、室内熱交換器１４の出口と膨張弁１８の入口との間に結合されていて、かつ、その出口は、第２圧縮機５８の入口に結合されている。尚、室内熱交換器１４に結合する管と膨張弁１８に結合する管は、液冷媒を流すために排熱回収熱交換器４６の下部に結合され、第２圧縮機５８に結合する管は蒸発したガス冷媒を流すため、排熱回収熱交換器４６の上部に結合されている。尚、冷却水は、第１の実施の形態の場合と同様に、冷却水流路Ｗによって、排熱回収熱交換器４６を循環する。
【００８６】
また、第２圧縮機５８の出口側の冷媒管は、四方弁２８と室内熱交換器１４とを結ぶ冷媒管に結合される。室内熱交換器１４の入口から排熱回収熱交換器４６までの流路は、第１と第２の冷媒流路ＸおよびＹで共通である。
【００８７】
次に、図２を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路Ｘにおける第１暖房サイクル（図２中の黒塗り矢印で示される流れ）については、第１の実施の形態で行った説明と実質的に変わりない。以下、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路Ｙにおける第２暖房サイクル（図２中の白抜き矢印で示される流れ）について説明する。
【００８８】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は、第２圧縮機５８に送られる。冷媒は第２圧縮機５８により圧縮された後、室内熱交換器１４に送られる（図２のＥ→Ｆ）。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図２のＦ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【００８９】
▲２▼液化した冷媒は排熱回収熱交換器４６に送られる。その際に冷媒液は膨張弁１８を通らないので減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【００９０】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【００９１】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び第２圧縮機５８に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【００９２】
以上説明したように、図２の構成例では、排熱回収熱交換器４６で蒸発した冷媒を、第２圧縮機５８によって圧縮してから、室内熱交換器１４に送るために、第２暖房サイクルの経路に冷媒を循環させる際の圧力損失分をこの第２圧縮機５８により補うことができる。このため連続運転が可能となる。
【００９３】
また、この構成によれば、排熱回収熱交換器４６をレシーバタンクとして用いることができるので、レシーバタンクを省略できる。
【００９４】
［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示すブロック図である。以下、第１の実施の形態のエアコンと異なる点について主として説明する。
【００９５】
エアコン本体は室内機１０と室外機４４ｂとで構成される。室外機４４ｂには、ポンプ６２および逆止弁６４が新たに追加されている。一方、この第３の実施の形態では、室外機４４ｂからは、第１の実施の形態で説明した弁５０ａ〜５０ｃが削除されている。
【００９６】
この第３の実施の形態の構成例では、排熱回収熱交換器からの蒸発した冷媒を室内熱交換器に連続的に送給するために、この室内熱交換器からの凝縮した冷媒を排熱回収熱交換器に強制的に送給するように構成している。
【００９７】
このため、第３の実施の形態の構成例では、弁５０ａ〜５０ｃを用いずに、排熱回収熱交換器４６を経る第２暖房サイクルを連続的に行わせる構成となっている。
【００９８】
すなわち、この構成例では、排熱回収熱交換器４６に上述したと同様な冷媒液面検知手段（図示していない）を設け、第１の設定レベル（低液面レベル）と第２の設定レベル（高液面レベル）を基準レベルとして設定しておく。冷媒液面検知手段は、冷媒の液面レベルが第１の設定レベル（低液面レベル）以下であることを検知すると、ポンプの運転制御手段（図示していない）にその旨の信号を出力する。その信号を受けてポンプの運転制御手段はポンプを稼働させる。また、液面検知手段は、冷媒の液面レベルが第２の設定レベル（高液面レベル）以上であることを検知すると、ポンプの運転制御手段にその旨の信号を出力する。その信号を受けてポンプ制御手段は、ポンプを停止させる。
【００９９】
上述のポンプ６２は、レシーバタンク４８の出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間に結合されている。また、ポンプ６２の出口と排熱回収熱交換器４６の入口との間に逆止弁６４が挿入されている。排熱回収熱交換器４６の出口側の冷媒管は、四方弁２８と室内熱交換器１４とを結ぶ冷媒管に結合される。室内熱交換器１４の入口からレシーバタンク４８の出口までの流路は第１と第２の冷媒流路ＸおよびＹで共通である。
【０１００】
次に図３を参照して、暖房運転時のエアコンの動作を説明する。室外熱交換器２０を含む第１の冷媒流路における第１暖房サイクル（図３中の黒塗り矢印で示される流れ）については、第１の実施の形態で行った説明と実質的に変わりない。以下、排熱回収熱交換器４６を含む第２の冷媒流路における第２暖房サイクル（図３中の白抜き矢印で示される流れ）について説明する。
【０１０１】
▲１▼排熱回収熱交換器４６で気化した冷媒は室内熱交換器１４に送られる。冷媒ガスは室内熱交換器１４を凝縮器として液化する（図５のＦ→Ｃ）。このとき室内空気は、凝縮器からの熱の放出によって温風Ｑとなり、暖房効果を生ずる。
【０１０２】
▲２▼液化した冷媒はレシーバタンク４８を経てポンプ６２に送られる。冷媒はポンプ６２により昇圧される（図５のＣ→Ｅ）。続いて冷媒は逆止弁６４を経て排熱回収熱交換器４６に送られる。以上の過程で冷媒液は膨張弁１８を通らないために減圧されず、高温・高圧の状態で排熱回収熱交換器４６に入る。
【０１０３】
▲３▼高温・高圧の冷媒液は排熱回収熱交換器４６で、エンジン３０から流路Ｗを経て送られる高温の冷却水から熱を奪って蒸発する。
【０１０４】
▲４▼蒸発した冷媒ガスは再び室内熱交換器１４に戻り、同様の第２暖房サイクルを繰り返す。
【０１０５】
以上説明したように、図３の構成例では、排熱回収熱交換器４６内の冷媒液面が低下してきたらポンプ６２を稼働して、レシーバタンク４８から排熱回収熱交換器４６へ冷媒を移動させる。このため連続運転が可能となる。
【０１０６】
【実施例】
次に、第１の実施の形態で説明したヒートポンプエアコンを構成する室外機４４の暖房能力測定結果につき説明する。ここでは、ヤマハ発動機（株）製のＹＣＪ８０ＥＮ−Ｃ（商品名）をベース機として用いて構成した室外機４４を、測定対象として用いている。
【０１０７】
図４は、測定装置の構成を示すブロック図である。測定対象の室外機４４は温度調節が可能な冷凍試験室６６に設置される。観測室６８には、冷媒／水熱交換器７０、水槽７２、ボイラ７４および冷却塔７６が設置される。図１において室内熱交換器１４内に延在していた部分に相当する冷媒管は、冷媒／水熱交換器７０内に設けられる。冷媒管内の冷媒の圧力は圧力計７８によって測定される。また、ポンプ８０により水槽７２から水が汲み上げられ、この水が冷媒／水熱交換器７０と水槽７２との間に循環される。水の流量は流量計８２により測定される。冷媒／水熱交換器７０流入前の水温が温度計８４により測定され、冷媒／水熱交換器７０流出後の水温が温度計８６により測定されて、これらの温度差が求められる。これら流量および温度差から、冷媒／水熱交換器７０における放熱量が求められる。
【０１０８】
また、ポンプ８８により水槽７２から水が汲み上げられ、この水が冷却塔７６、ボイラ７４および水槽７２間に循環される。この水の流路に三方弁９０が挿入されていて、この三方弁９０の開閉とボイラの運転／停止が圧力計７８の測定結果に応じて制御される。この制御の結果、室内機を用いる場合と冷媒の凝縮圧力が等しくなる。よって、冷媒／水熱交換器７０を使用する図４の構成の測定装置は、冷媒／水熱交換器７０の代わりに室内機を使用する場合と等価な条件で運転しているとみなすことができる。また、室外機４４を構成するエンジンの回転数は専用のサービスチェッカにより制御する。
【０１０９】
なお、あらかじめ、観測室６８に設置した室内機を使用して、室内機吸込空気をＪＩＳ条件に合わせて運転し、冷媒の蒸発圧力（低圧）と凝縮圧力（高圧）とを測定しておく。室内機としては、一例として、ヤマハ発動機（株）製のＹＥＳＪ９０Ｄ−Ａ（商品名）が用いられる。
【０１１０】
測定条件は以下の通りである。エンジン回転数は、最高回転数（定格回転数）２５００ｒｐｍに設定する。また、外気の乾球温度が７℃（ＪＩＳ標準）、０℃、−１０℃の場合についてそれぞれ測定を行う。
【０１１１】
また、補助排熱回収熱交換器を使用せず、排熱回収熱交換器を使用する場合につき測定を行う。比較対照として、排熱回収熱交換器を使用せず、補助排熱回収熱交換器を使用する場合についても測定を行う。前者は第１の実施の形態で説明した新方式の通常時の暖房運転であり、後者は在来方式の暖房運転に相当する。
【０１１２】
測定結果を表１、図５および図６にそれぞれ示す。図５は、暖房能力の外気温度依存性を示すグラフである。図６は、ＰＥＲの外気温度依存性を示すグラフである。
【０１１３】
表１の６Ｂガスとはエンジンの燃料である。また、「新熱交」とは排熱回収熱交換器のことであり、「旧熱交」とは補助排熱回収熱交換器のことである。
【０１１４】
図５の横軸は外気温度を℃単位で示すものであり、縦軸は暖房熱量を［ｋＷ］で示すものである。図６の横軸は外気温度を℃単位で示すものであり、縦軸はＰＥＲを示すものである。図５および図６の各図において、実線ａは在来方式の測定結果を示し、実線ｂは新方式の測定結果を示す。
【０１１５】
【表１】
これらの測定結果の通り、外気温度約７℃での暖房能力は、在来方式で８．６９［ｋＷ］に対し、新方式では１０．０２［ｋＷ］と増加している。また、成績係数は０．７４から０．８８へ０．１４向上している。
【０１１７】
また、外気温度７℃より０℃の方が成績係数が高いが、これは７℃ではラジエータからの放熱があるためと思われる。これは排熱を完全に使い切っていないことを意味するので、排熱回収熱交換器の熱交換面積を大きくすることにより改善される余地が残されている。
【０１１８】
外気温度−１０℃では効果が小さいのは、定格回転数では室外熱交換器での冷媒蒸発圧力が低く、低圧異常で停止してしまうため、圧力が１２０ｋＰａを下回った場合は、排熱回収熱交換器を通った後の冷却水を補助排熱回収熱交換器にも通すように三方弁を制御することにより、低圧異常を回避する制御を組み込んだためと思われる。電動ヒートポンプでは運転が可能であることを考えると、膨張弁制御が最適ではなく、改善の余地が残されていると思われる。
【０１１９】
以上のように、新方式の、暖房能力の増大および成績係数の向上の効果を確認することができた。
【０１２０】
【発明の効果】
この発明の空調方法によれば、室外熱交換器と排熱回収熱交換器とを独立した経路とし、それぞれ異なる圧力で冷媒を蒸発させることが出来る。そして、室外熱交換器では外気採熱により、排熱回収熱交換器では排熱利用により、それぞれ冷媒を気化させる。従って、排熱利用に影響されることなく外気採熱が可能となり、従来方法に比べて暖房能力および成績係数の向上が図れる。
【０１２１】
また、排熱回収熱交換器では、凝縮した冷媒を膨張弁で減圧することなく、高圧のまま加熱・蒸発させるため、大きな動力を用いずに第２暖房サイクルを循環させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図３】第３の実施の形態のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図４】測定装置の構成を示す図である。
【図５】暖房能力の外気温度依存性を示す図である。
【図６】ＰＥＲの外気温度依存性を示す図である。
【図７】従来のエンジン駆動式ヒートポンプエアコンの構成を示す図である。
【図８】従来のヒートポンプサイクルにおける冷媒状態を示す図である。
【符号の説明】
１０：室内機
１２，４４，４４ａ，４４ｂ：室外機
１４：室内熱交換器
１６，４８：レシーバタンク
１８：膨張弁
２０：室外熱交換器
２２：補助排熱回収熱交換器（従来構成では排熱回収器）
２４：アキュムレータ
２６：圧縮機
２８：四方弁
３０：エンジン
３２：ラジエータ
３４，６２，８０，８８：ポンプ
３６，５２，５３，９０：三方弁
４６：排熱回収熱交換器
５０ａ：第１弁
５０ｂ：第２弁
５０ｃ：第３弁
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ：電磁弁
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，６４：逆止弁
５８：第２圧縮機
６０：電動モータ
６６：冷凍試験室
６８：観測室
７０：冷媒／水熱交換器
７２：水槽
７４：ボイラ
７６：冷却塔
７８：圧力計
８４，８６：温度計
８２：流量計
Claims (3)
- 室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行う方法であって、暖房運転にあたり、
前記室内熱交換器の出口と前記排熱回収熱交換器の入口との間に第１弁を設け、前記排熱回収熱交換器の出口と前記室内熱交換器の入口との間に第２弁を設け、および前記排熱回収熱交換器の出口と前記室外熱交換器の入口との間に第３弁を設けておき、
前記室外熱交換器で外気を利用して冷媒を蒸発させる第１工程と、
前記室外熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮機で圧縮する第２工程と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記室内熱交換器で凝縮させる第３工程と、
前記室内熱交換器で凝縮した冷媒を膨張弁で減圧・膨張させて前記室外熱交換器に送給する第４工程とを含む第１暖房サイクル、並びに
前記室内熱交換器で凝縮した冷媒を非減圧状態で前記排熱回収熱交換器に送給する第５工程からなる充填モード、及び
前記排熱回収熱交換器で前記圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させる第６工程と、
前記排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒を前記室内熱交換器に送給する第７工程と、
前記室内熱交換器で冷媒を凝縮させる第８工程とからなる暖房モードを含み、前記充填モード及び前記暖房モードを交互に実施する第２暖房サイクル
を行い、
前記排熱回収熱交換器中に収容されている前記凝縮した冷媒の収容レベルが予め設定した第１設定レベル以下であることを検知して、前記第１及び第３弁を開いて前記排熱回収熱交換器の出口側を入口側よりも低圧にするとともに、前記第２弁を閉じて前記充填モードに切り替え、及び
前記凝縮した冷媒の収容レベルが、前記第１設定レベルより高い、予め設定した第２設定レベル以上であることを検知して、第１及び第３弁を閉じるとともに、前記第２弁を開いて前記暖房モードに切り替える
ことを特徴とする空調方法。 - 室内熱交換器と、室外熱交換器および排熱回収熱交換器との間に冷媒を循環させて室内の空調を行うヒートポンプであって、暖房運転において、
前記室外熱交換器は外気を利用して冷媒を蒸発させるものであり、
前記室外熱交換器で蒸発した冷媒は四方弁を経て圧縮機に送給され、
前記圧縮機で圧縮された冷媒は前記四方弁を経て前記室内熱交換器に送給され、
前記室内熱交換器で凝縮した冷媒は膨張弁を経て前記室外熱交換器に送給されるように構成されており、
前記排熱回収熱交換器は前記圧縮機の動力源であるエンジンの排熱を利用して冷媒を蒸発させるものであり、
前記排熱回収熱交換器で蒸発した冷媒は前記室内熱交換器に送給され、
前記室内熱交換器で凝縮した冷媒は非減圧状態で前記排熱回収熱交換器に送給されるように構成されており、
前記室内熱交換器の出口と前記膨張弁の入口との間が受液器を介して結合され、
前記受液器の出口および前記膨張弁の入口間の結合部と前記排熱回収熱交換器の入口との間が第１弁を介して結合され、
前記排熱回収熱交換器の出口と前記四方弁の出口および前記室内熱交換器の入口間の結合部との間が第２弁を介して結合され、
前記排熱回収熱交換器の出口および前記第２弁間の結合部と前記膨張弁の出口および前記室外熱交換器の入口間の結合部との間が第３弁を介して結合されている
ことを特徴とするヒートポンプ。 - 請求項２に記載のヒートポンプを具える空調装置。
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