JP3819536B2 - 内燃機関とその内燃機関を用いた空気調和機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関とその内燃機関を用いた空気調和機とに係り、詳しくは、機関始動後の連れ回りによるスタータモータの破損等を防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、パッケージエアコン等に用いられる大型空気調和機では、内燃機関であるガスエンジン(以下、単にエンジンと記す)をコンプレッサの駆動源とした、ガスヒートポンプ型が採用されることが多くなっている。
【0003】
ガスヒートポンプ型空気調和機では、エンジンにより圧縮機を駆動して冷媒を圧縮・循環させ、四方弁の切換えにより冷暖房を行う他、エンジンの冷却水や排気ガスの熱エネルギーが暖房に利用できるため、外気温が零度以下になるような厳冬期等にも十分な暖房が可能となる。エンジンとしては、一般に自動車用の4サイクルエンジンが流用されており、その始動には直流12Vで駆動されるスタータモータが用いられている。したがって、室外ユニット内には、空気調和機の主電源(三相交流200V等)を直流12Vに変圧・整流するべく、トランスと整流器等からなる電源装置が配設されている。また、スタータモータと電源装置との間にスタータリレーが介装されており、制御装置によりスタータリレーが駆動されることで、スタータモータが回転してエンジンが始動する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したガスヒートポンプ型空気調和機では、過電流によるスタータリレーの接点溶着等により、エンジン始動後にスタータモータが連れ回わることがある。通常、自動車用エンジン等では、その起動時にピニオンギヤが飛び出す飛込み式スタータモータが用いられており、接点溶着等によりスタータリレーの回路が開成不能になると、スタータモータ側のピニオンギヤとエンジン側のリングギヤとが噛み合い続けることになる。この場合、スタータモータは、定格運転時間(一般には、数十秒)を超えて運転されることでコイル等の焼損等を起こしたり、エンジン回転数の上昇により過回転状態となってピニオンギヤやベアリング等が破損する虞がある。そして、スタータモータが破損した場合、エンジン停止後の再起動ができなくなり、修理(スタータモータの交換)を行うまで空気調和機が運転不能となる他、修理に要する部品コストや人工も多大となる問題があった。
【0005】
そこで、発明者等は、スタータモータへの過電流(例えば、30〜50A)を検出する既設の検出システムを流用し、エンジン完爆後にもスタータモータへの通電が行われていることを判定して、主電源供給回路と電源装置とを切断する方法を試みた。ところが、この検出システムは比較的大電流の検出を前提としているため、そのままのシステム構成では、連れ回り時の小電流(例えば、数A)を検出することができなかった。
【0006】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、機関始動後の連れ回りによるスタータモータの破損等を防止した内燃機関とその内燃機関を用いた空気調和機とを提供することを目的とする。
【0008】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段がエンジン始動後にもスタータモータのピニオンギヤとエンジンのリングギヤとが噛み合い状態にあることを検出すると、電力供給停止手段が主電源供給回路と電源装置との間に介装されたマグネットスイッチを切断し、ピニオンギヤとリングギヤとの噛み合いを解除する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の発明では、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うものを提案する。
【0010】
一般に、スタータモータの定格回転数は始動後におけるエンジンの回転数より低いため、この発明では、連れ回り検出手段は、機関負荷が通常運転時に対して所定量以上増大することをもってスタータモータの連れ回りを検出する。
【0011】
また、請求項2の発明では、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うものを提案する。
【0012】
この発明では、機関始動直後の負荷変動の影響が排除され、スタータモータの連れ回りの検出が高い精度で行われる。
【0013】
また、請求項3の発明では、請求項1または2の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定するものを提案する。
【0014】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段は、エアフローセンサ等により検出された吸入空気量と通常運転時の吸入空気量との偏差を算出し、これが所定の閾値を超えていた場合にスタータモータが連れ回りしていると推定する。
【0015】
また、請求項4の発明では、請求項1または2の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル弁の開弁量から推定するものを提案する。
【0016】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段は、スロットル弁駆動用ステップモータのステップ量とその前回値との偏差を算出し、これが所定の閾値を超えていた場合にスタータモータが連れ回りしていると推定する。
【0018】
この発明によれば、機関始動後にスタータモータの連れ回りが生じても、スタータモータへの電力供給を停止することでこれが速やかに解消され、スタータモータの破損に至らなくなると共に、スタータリレー等を交換するまでの間も空気調和機の運転を行うことが可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0020】
図1はガスヒートポンプ型空気調和機の概略構成図であり、同図中には、実線で冷媒回路を示し、一点鎖線で電気回路を示してある。本実施形態の空気調和機は、いわゆるマルチタイプパッケージエアコンであり、複数の室内ユニット1と一つの室外ユニット3とから構成されている。室内ユニット1側には、分流器5が付設された室内熱交換器7、電動ファン9、電動膨張弁11等が設置されている。また、室外ユニット3側には、圧縮機13、電磁式の四方弁15、分流器17が付設された室外熱交換器19、電動ファン21、アキュムレータ23等が設置されている。冷媒回路を構成する機器は、ガス冷媒あるいは液冷媒の流通に供される冷媒配管31〜45により接続されている。図中、25は、フレキシブルカップリング27を介して圧縮機13を駆動するガスエンジンであり、吸気系に設けられたスロットル弁駆動用のステップモータ29によってその出力が制御される。また、47は圧縮機13の下流側冷媒配管31とアキュムレータ23の上流側冷媒配管38とをバイパスさせるバイパス配管であり、49はバイパス配管47の管路に介装された電磁遮断弁である。
【0021】
室内ユニット1内には、電動ファン9や電動膨張弁11を駆動する室内側コントロールユニット(以下、ECUと記す)51が設置されている。室内側ECU51は、CPUを始め、入出力インタフェースやROM,RAM,タイマカウンタ等から構成されており、その入力インタフェースには、室温Trを検出する室温センサ53と、室内熱交換器7の入口側および出口側の冷媒温度Tfi,Tfoを検出する第1,第2冷媒温センサ55,57等が接続している。
【0022】
一方、室外ユニット3の内部には、四方弁15や電動ファン21、電磁遮断弁49の他、ステップモータ29を始めとするガスエンジン25関連の機器等も集中制御する室外側ECU61が設置されている。室外側ECU61は、CPUを始め、入出力インタフェースやROM,RAM,タイマカウンタ等から構成されており、その入力インタフェースには、圧縮機13の吐出側冷媒圧力Pdを検出する圧力センサ63、ガスエンジン25のエンジン回転数NEを検出するNEセンサ65、外気温Taを検出する外気温センサ67等が接続している。また、室外側ECU61は、各室内ユニット1の室内側ECU51と接続されており、相互に信号の授受を行う。
【0023】
図2はガスエンジン25の始動用電気回路図であり、同図中には、実線で電源回路を示し、一点鎖線で制御回路を示してある。電源回路には、マグネットスイッチ(電磁式回路開閉器)71,トランス73,ダイオード式の整流器75が介装されており、空気調和機の主電源(三相交流200V)がスタータ電源(直流12V)として降圧・整流された後、スタータモータ77の電源ケーブル79,81に供給される。
【0024】
マグネットスイッチ71は、室外側ECU61からの励磁電流により作動し、主電源回路を開閉する。また、スタータモータ77は、スタータリレー83により起動されるが、スタータリレー83も室外側ECU61からの励磁電流により作動する。図中、87〜90は室外側ECU61内の図示しないドライバに接続した励磁電源コード、91,92はスタータ起動用電源コードである。
【0025】
次に、冷房運転時における冷媒の流れを説明する。
【0026】
冷媒配管39から圧縮機13に吸引されたガス冷媒は、断熱圧縮により高温高圧となって圧縮機13から吐出され、冷媒配管31、四方弁15、冷媒配管32を経由して室外熱交換器19に流入する。高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器19内を通過する間に外気により冷却され、凝縮することにより液冷媒となった後、冷媒配管33,34を経由して電動膨張弁11に流入する。
【0027】
液冷媒は、電動膨張弁11で流量を調整された後、冷媒配管35、分流器5を経由して室内熱交換器7に流入する。液冷媒は、室内熱交換器7内を通過する間に気化してガス冷媒となり、その際の気化潜熱により電動ファン9が送風した室内空気を冷却する。この際、室内側ECU51は、設定温度Tsと室温Trとの偏差に基づき電動ファン9の回転数(rpm)を制御すると共に、室内熱交換器7の入口側冷媒温度Tfiと出口側冷媒温度Tfoとの偏差が所定値(例えば、0〜1℃)となるように電動膨張弁11の開弁量を制御する。
【0028】
室内熱交換器7内で気化したガス冷媒は、冷媒配管36,37、四方弁15、冷媒配管38を経由してアキュムレータ23に流入し、冷媒配管39から再び圧縮機13に吸引される。
【0029】
以下、図3および図4のフローチャートと図5のタイムチャートとに基づき、本実施形態におけるスタータ駆動制御の手順を説明する。
【0030】
空気調和機の運転が開始された後、ガスエンジン25の始動(圧縮機13の起動)が必要になると、室外側ECU61は、所定の制御インターバルで、図3に示したスタータ駆動制御を繰り返し実行する。この制御を開始すると、室外側ECU61は、先ず図3のステップS1で各種センサからの運転情報を読み込んだ後、ステップS3で初期値0のエンジン起動フラグFESが1であるか否かを判定する。ステップS3の初回の判定はNoとなるため、室外側ECU61は、ステップS5でマグネットスイッチ71をON状態(閉)にし、ステップS7で電磁遮断弁49を開放させる。
【0031】
次に、室外側ECU61は、ステップS9でスタータリレー83をON状態にした後、ステップS11でエンジン起動フラグFESを1とする。これにより、電源ケーブル79,81を介してスタータモータ77にスタータ電力が供給され、スタータモータ77によりガスエンジン25および圧縮機13が駆動され始める。この際、電磁遮断弁49が開放されているため、圧縮機13により吐出されたガス冷媒はバイパス配管47を介してアキュムレータ23に環流し、圧縮機13の圧縮仕事(すなわち、ガスエンジン25の始動抵抗)が大幅に低減される。
【0032】
次回の処理ではステップS3の判定がYesとなるため、室外側ECU61は、ステップS13でNEセンサ65により検出されたエンジン回転数NEが完爆判定閾値NEstを上回ったか否かを判定し、この判定がNo(否定)である間はスタートに戻って制御を繰り返す。通常、ガスエンジン25は、冷機時においても1〜2秒で完爆状態となる。そのため、本実施形態では所定の最大連続時間Tmax(例えば、7秒)内に完爆に至らない場合には、何らかの異常があるとして、スタータ駆動制御の一旦中止や警報等を行うが、それらの処理手順については説明を省略する。
【0033】
ガスエンジン25が完爆してステップS13の判定がYes(肯定)になると、室外側ECU61は、ステップS15でスタータリレー83をOFF状態にした後、ステップS17で初期値0の第1タイマフラグFT1が1であるか否かを判定する。初回はこの判定がNoとなるため、室外側ECU61は、ステップS19で第1タイマT1を起動させた後、ステップS21で第1タイマフラグFT1を1として、スタートに戻る。
【0034】
次回の処理ではステップS17の判定がYesとなるため、室外側ECU61は、ステップS23で第1タイマT1の値が所定の待ち時間T1A(例えば、10秒)に達したか否かを判定し、この判定がNoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。待ち時間T1Aは、ガスエンジン25の始動後にエンジン回転数NEの振れ(ハンチング)が収まるのに要する時間である。
【0035】
ガスエンジン25の完爆後に待ち時間T1Aが経過し、ステップS23の判定がYesになると、室外側ECU61は、ステップS25で初期値0の第2タイマフラグFT2が1であるか否かを判定する。初回はこの判定がNoとなるため、室外側ECU61は、ステップS27で第2タイマT2を起動させた後、ステップS29で第2タイマフラグFT2を1として、スタートに戻る。
【0036】
次回の処理ではステップS25の判定がYesとなるため、室外側ECU61は、図4のステップS31でステップモータ29の開度(駆動ステップ数)NSTをRAMに記憶した後、ステップS33で第2タイマT2の値が所定のサンプリング時間T2S(例えば、10秒)に達したか否かを判定し、この判定がNoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。尚、本実施形態の場合、スタータモータ77起動時点からステップS33の判定が行われるまでに要する時間の最大値(すなわち、最大通電時間Tmaxと待ち時間T1Aとサンプリング時間T2Sとの和)は、スタータモータ77の破損を防止するべく、その通電定格時間(例えば、30秒)を超えないように設定されている。
【0037】
第2タイマT2の値がサンプリング時間T2Sに達し、ステップS33の判定がYesになると、室外側ECU61は、ステップS35でサンプリング時間T2S内におけるステップモータ29の開度NSTの平均値Naveを算出し、ステップS37でこれを不揮発性RAMに記憶する。次に、室外側ECU61は、ステップS39で平均値Naveを不揮発性RAMに記憶された前回値Nave’で除すことにより開度増減率Nqを得た後、ステップS41で開度増減率Nqが所定の異常判定閾値Nqth(例えば、1.2)を超えたか否かを判定する。尚、本実施形態の場合、前回値Nave’は、過去5回の始動時に得られたステップモータ29の開度NSTの平均値Naveを更に平均したものであり、空気調和機の製造時に5回分のデフォルト値が不揮発性RAMに記憶されている。
【0038】
ステップS41の判定がNoであれば、室外側ECU61は、スタータモータ77の連れ回りが生じていないと判断し、ステップS43で第1タイマT1の値が所定のバイパス時間T1B(例えば、25秒)に達したか否かを判定し、この判定がNoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。そして、第1タイマT1の値がバイパス時間T1Bに達してステップS43の判定がYesになると、室外側ECU61は、ステップS45で電磁遮断弁49を閉鎖した後、ステップS47で各フラグFES,FT1,FT2やタイマT1,T2のリセットを行う。これにより、スタータ駆動制御が終了し、圧縮機13から吐出されたガス冷媒が冷媒回路に供給されて、空気調和機による冷房や暖房が開始される。
【0039】
さて、スタータリレー83の接点溶着等により、室外側ECU61からの指令に拘わらずスタータモータ77が連れ回りすると、図4に示した如く、これによるガスエンジン25の負荷の増大を相殺するように、ステップモータ29の開度NSTが増加する。これは、室外側ECU61が、エンジン回転数NEを一定に保つべく、NEセンサ65の検出信号に基づきステップモータ29の開度NSTをフィードバック制御しているためである。
【0040】
この場合、前述した平均値Naveが増大してステップS41の判定がYesになるため、室外側ECU61は、ステップS49でマグネットスイッチ71をOFF状態にし、ステップS51でアラーム出力(警告ブザーの吹鳴や警告ランプの点灯等)を行う。
【0041】
これにより、スタータモータ77への電力供給が停止されるため、ピニオンギヤとリングギヤとの噛み合いが解除されて、連れ回りが直ちに解消される。また、ユーザは、アラーム出力によって不具合が生じたことを認識し、保守・点検作業(スタータリレーの交換等)を速やかに行うことができる。
【0042】
ステップS51でのアラーム出力を行った後、室外側ECU61は、ステップS43に移行して、電磁遮断弁49の閉鎖やフラグFT1,FT2およびタイマT1,T2のリセットを行う。すなわち、本実施形態では、スタータモータ77の連れ回りが生じ、その原因となった故障が解消されるまでの間も、マグネットスイッチ71がON/OFFされることにより、空気調和機の運転は通常時と同様に行われる。尚、アラーム出力は、サービス作業員等により故障が解消された後、空気調和機をリセットすることで解除される。
【0043】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等に適用してもよい。また、連れ回りの検出については、燃料供給量や吸入空気量から得られた機関負荷に基づいて行ってもよいし、スタータモータのピニオンギヤの位置検出する近接センサの出力信号等に基づいて行ってもよい。更に、各機器類の具体的構成や制御の具体的手順等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、適宜変更可能である。
【0045】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項1によれば、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備えて、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うようにしたため、既設の機器やセンサを用いて比較的容易に連れ回りの検出が行えるようになる。
【0046】
また、請求項2の発明によれば、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備えて、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うようにしたため、機関始動直後の負荷変動の影響が排除され、スタータモータの連れ回りの検出が高い精度で行えるようになる。
【0047】
また、請求項3の発明によれば、請求項1または2の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定するようにしたため、検出精度が向上する。
【0048】
また、請求項4の発明によれば、請求項1または2の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル弁の開弁量から推定するようにしたため、検出制度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る空気調和機の一実施形態を示した概略構成図である。
【図2】実施形態に係るガスエンジンの始動用電気回路図である。
【図3】スタータ駆動制御の手順を示すフローチャートである。
【図4】スタータ駆動制御の手順を示すフローチャートである。
【図5】エンジン始動時における各パラメータの変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
3 室外ユニット
13 圧縮機
25 ガスエンジン
29 スロットル弁駆動用ステップモータ
61 室外側ECU
65 NEセンサ
71 マグネットスイッチ
73 トランス
75 整流器
77 スタータモータ
79,81 電源ケーブル
83 スタータリレー
Claims (4)
- 機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うことを特徴とする内燃機関を用いた空気調和機。
- 機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うことを特徴とする内燃機関を用いた空気調和機。
- 前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定することを特徴とする、請求項1または2記載の内燃機関を用いた空気調和機。
- 前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル便の開弁量から推定することを特徴とする、請求項1または2記載の内燃機関を用いた空気調和機。
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