JP3932921B2

JP3932921B2 - エンジン駆動式冷凍サイクル装置及び空調装置

Info

Publication number: JP3932921B2
Application number: JP2002031810A
Authority: JP
Inventors: 兼二山田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: JP2003232579A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の圧縮機と、その圧縮機を駆動するエンジンとを有し、空気や水等の流体の冷却や加熱を行うエンジン駆動式冷凍サイクル装置に関するもので、特に圧縮機を起動する際の負荷変動によるエンジン停止を回避する制御に関し、空気を冷却・過熱して居室内の冷暖房を行う空調装置等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の駆動にエンジンを用いたエンジン駆動式冷凍サイクル装置を適用した空調装置等においては、近年の大能力化に伴い圧縮機の容量も大きくなっている。このため、圧縮機起動時の負荷も増大しており、この圧縮機起動時の負荷によりエンジンが停止するという問題が生じている。
【０００３】
この圧縮機起動時のエンジン停止を回避する従来技術として、圧縮機の吸入（低圧）側と吐出（高圧）側とを一時的にバイパス回路で連通させて起動時の負荷を抑えること（いわゆるアンローダ）が実施されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この際の冷媒のバイパス量は、上記圧縮機の大容量化に伴い増大させる必要があるが、バイパス弁（電気膨張弁等）の口径の制約等から対応が困難になってきているという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、バイパス弁等を使わなくとも、圧縮機起動時のエンジン停止を回避することのできるエンジン駆動式冷凍サイクル装置及び空調装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を採用する。請求項１記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する第１、第２圧縮機（２、３）と、冷媒を凝縮させる第１熱交換器（６、１０）と、冷媒を減圧する減圧手段（７、９）と、冷媒を蒸発させる第２熱交換器（６、１０）とを環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、第１、第２圧縮機（２、３）を駆動するエンジン（１）と、これら冷凍サイクル（Ｒ）及びエンジン（１）の状態を制御する制御手段（２０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
第１、第２圧縮機（２、３）の吸入側圧力（Ｐｓ）を検知する圧力検知手段（１３）を設けると共に、制御手段（２０）は、第１、第２圧縮機（２、３）を起動させる際、まず第１圧縮機（２）を起動すると共に減圧手段（７、９）を閉じ、圧力検知手段（１３）で検知する吸入側圧力（Ｐｓ）が所定値（Ａ）以下になった時に第２圧縮機（３）を起動することを特徴とする。
【０００７】
これは、発明者が圧縮機起動時の負荷は冷媒の比重によって増減することに着目したものであり、冷媒の比重が高い、すなわち圧縮機の吸入側圧力（Ｐｓ）が高いほど圧縮機を起動する駆動力が大きくなることより、エンジン停止を回避するためには逆に吸入側圧力（Ｐｓ）を下げてから第２圧縮機（３）を起動すれば良いという着想に至ったものである。
【０００８】
よって、第１圧縮機（２）を起動すると共に減圧手段（７、９）を閉じることによって圧縮機の吸入側圧力（Ｐｓ）が下がり、その状態で第２圧縮機（３）を起動することで駆動するエンジン（１）に大きな負荷を掛けることなく第２圧縮機（３）も起動することができる。
【０００９】
そして、エンジン（１）の回転が安定したところで閉じていた減圧手段（７、９）を通常制御での開度に戻すこととなる。これにより、圧縮機（２、３）起動時のエンジン（１）停止を回避することができる。また、バイパス回路やバイパス弁等を設ける必要がなく、従来の冷凍サイクルを構成する機器の制御だけで行えるため、コストアップを抑えることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、制御手段（２０）は、第２圧縮機（３）を起動することによってエンジン（１）が停止した場合、所定値（Ａ）を下げてエンジン（１）及び第１、第２圧縮機（２、３）の再起動を行うことを特徴とする。
【００１１】
この所定値（Ａ）は、エンジン（１）の出力に対する圧縮機（２、３）の起動時負荷の大きさによって決められるが、もしこの所定値（Ａ）まで吸入側圧力（Ｐｓ）を下げてもエンジン停止が発生する条件であった場合、所定値（Ａ）を下げてエンジン（１）及び第１、第２圧縮機（２、３）の再起動が試みることにより、確実にエンジン駆動式冷凍サイクル装置が起動されることとなる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を空調装置に用い、第１、第２熱交換器（６、１０）を室内熱交換器（６）及び室外熱交換器（１０）としたことを特徴とする。これにより、バイパス弁等を使わなくとも、圧縮機（２、３）起動時にエンジン（１）停止を起こすことのない空調装置とすることができる。因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。図１は本発明に係わるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置（以下、空調装置）１００の模式図である。本実施形態は、複数の圧縮機２、３を備え、その圧縮機２、３がエンジン（例えばディーゼルエンジン）１によって駆動されるもので、この空調装置１００は定置型或いは車両搭載型として用いられ、屋内や車室内を冷暖房することができるが、本実施形態では定置型に適用したものとして述べる。
【００１４】
圧縮機２、３の駆動部分は、エンジン１のクランクシャフトに直結したプーリ１ａから、エンジン１の両側に配置された第１、第２圧縮機２、３にＶベルト１ｂによって回転力が伝えられる。圧縮機２、３には其々電磁クラッチ２ａ、３ａが付いており、Ｖベルト１ｂで伝えられる回転力を圧縮機２、３に伝達したり遮断したりする。
【００１５】
そして、必要となる冷・暖房能力等に対応して圧縮機の能力を小さくしたい時には、片方の圧縮機のクラッチを切って運転することで容量を半分にすることができる。それ以外での圧縮機の能力の調整は、エンジン１の回転数を調整して行なっている。因みに、エンジン１のクランクシャフトには回転数を検知する回転数センサ１２が付いている。
【００１６】
また、空調装置１００は、冷凍サイクル装置を構成する各機器間を冷媒配管で環状に接続して冷凍サイクルＲを構成しており、屋内暖房時には、圧縮機２、３→四方弁５→室内熱交換器（第１熱交換器）６→室内機電動弁７→レシーバ８→室外機電動弁（減圧手段）９→室外熱交換器（第２熱交換器）１０→四方弁５→アキュームレータ１１→圧縮機２、３の順に冷媒を流通（実線矢印）させて暖房している。
【００１７】
また、屋内冷房時には、圧縮機２、３→四方弁５→室外熱交換器（第１熱交換器）１０→室外機電動弁９→レシーバ８→室内機電動弁（減圧手段）７→室内熱交換器（第２熱交換器）６→四方弁５→アキュームレータ１１→圧縮機２、３の順に冷媒を流通（破線矢印）させて冷房している。
【００１８】
室内熱交換器６は、暖房時には凝縮器である第１熱交換器として機能し、冷房時には蒸発器である第２熱交換器として機能する。また、室外熱交換器１０は、暖房時には蒸発器である第２熱交換器として機能し、冷房時には凝縮器である第１熱交換器として機能する。そして、暖房時には、室外機電動弁９が冷媒を減圧する減圧手段である膨張弁として機能し、冷房時には、室内機電動弁７が減圧手段である膨張弁として機能する。
【００１９】
レシーバ８とアキュームレータ１１は、冷媒を気液分離して蓄えるものである。また、６ａと１０ａは、それぞれ室内熱交換器６及び室外熱交換器１０に空気を送って熱交換させるための送風ファンである。
【００２０】
また、圧縮機２、３の吐出側（四方弁５側）に接続された冷媒配管には、圧縮機２、３が吐出した冷媒からオイルを分離する周知のオイルセパレータ４が設けられており、オイルセパレータで分離されたオイルはオイルリターンチューブ（図示せず）を介して、圧縮機２、３の吸入側（アキュームレータ１１側）に接続された冷媒配管の経路中に圧縮機２、３前後の差圧により戻されるようになっている。
【００２１】
また、同じく圧縮機２、３の吸入側（アキュームレータ１１側）には、吸入側圧力Ｐｓを検知する圧力検知手段としての圧力センサ１３が設けられている。上記構成を有する空調装置１００において、各構成要素のうち室内熱交換器６、送風ファン６ａ及び室内機電動弁７は、室内機２００を構成して室内の適所に設置され、その他のものは、室外機３００を構成して室外の適所に設置されている。
【００２２】
そして、空調装置１００は、電子回路等からなる制御手段としての制御装置２０を有し、この制御装置２０は、室内に設けられた図示しないコントローラ、図示しない各種センサ、前記の回転数センサ１２、圧力センサ１３等からの情報を入力し、室内機２００及び室外機３００を作動制御するようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態の作動を上記構成に基づいて説明する。制御装置２０は、空調装置１００に電力供給されている時には、図示しないコントローラからの情報に基づいて、暖房運転時の制御処理、又は冷房運転時の制御処理のいずれかを実行する。まず、暖房運転時の作動について説明する。例えば外気温が低い時、図示しないコントローラの暖房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置２０に入力されると、制御装置２０は暖房運転時の制御処理を実行する。
【００２４】
制御装置２０は四方弁５を暖房側（実線）に切り替えると共に、エンジン１を起動し圧縮機２、３を駆動する。尚、この圧縮機２、３を起動する時の作動は本発明の要部であるため、詳細は後述する。そして、室内機電動弁７を全開にすると共に、室外機電動弁９を膨張弁として機能する開度に調節する。
【００２５】
圧縮機２、３を出た高温のガス冷媒は、四方弁５を通り、室内熱交換器６で凝縮することで暖房を行なった後、レシーバ８で気液分離され、液冷媒が室外機電動弁９で減圧され、室外熱交換器１０で蒸発し、四方弁５を再び通ってからアキュームレータ１１にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２、３に戻る。
【００２６】
次に、冷房運転時の作動について説明する。例えば外気温が高い時、図示しないコントローラの冷房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置２０に入力されると、制御装置２０は冷房運転時の制御処理を実行する。制御装置２０は四方弁５を冷房側（破線）に切り替えると共に、エンジン１を起動し圧縮機２、３を駆動する。また、室外機電動弁９を全開にすると共に、室内機電動弁７を膨張弁として機能する開度に調節する。
【００２７】
圧縮機２、３を出た高温のガス冷媒は、四方弁５を通り、室外熱交換器１０で凝縮し、レシーバ８で気液分離され、液冷媒は室内機電動弁７で減圧され、室外熱交換器１０で蒸発することで冷房を行なった後、四方弁５を再び通ってからアキュームレータ１１にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２、３に戻る。
【００２８】
次に、制御装置２０が実行するエンジン制御の全体について、図２の制御プログラムの一例を示すフローチャートに沿って説明する。空調装置１００の運転スイッチがONされると、まずステップＳ１で記憶している数値の初期化の処理を行なう。
【００２９】
次にステップＳ２で、図示しないスタータをＯＮさせてエンジン１を始動させるための始動制御が行われる。そして、ステップＳ３で、設定されている空調運転に合った回転数を保つよう、回転数制御が行われる。そして、ステップＳ４は、エンジン１が異常回転して暴走状態になった場合に停止させるための制御部分である。最後のステップＳ５は、空調装置１００の運転スイッチがＯＦＦされた時に、エンジン１を停止させるための停止制御である。
【００３０】
次に、本発明に係わるステップＳ２の始動制御について、図３のフローチャートに沿って説明する。まずステップＳ１１で、図示しないスタータをＯＮさせてエンジン１を始動させる。次にステップＳ１２で、回転数が各目標回転数毎に設定された公差内に安定したか否かを確認する。
【００３１】
回転数が公差内に安定したことを確認したら次のステップＳ１３へ進み、第１圧縮機２を起動すると共に、電動弁７、９を閉じる。実際には、上記したように暖房と冷房とで四方弁５の向きが変わるので、その時の四方弁５の向きでアキュームレータ１１（圧縮器２、３の吸入側）に近い側の電動弁を閉じれば良い。
【００３２】
次のステップＳ１４で、圧力センサ１３で検知する圧縮器２、３の吸入側圧力Ｐｓが所定値Ａ（本実施形態ではスタート時の初期値としてＡ＝０．６５Ｍｐａとしている）以下に下がったか否かを確認し、所定値Ａ以下に下がったことを確認したら次のステップＳ１５へ進み、第２圧縮機３を起動する。
【００３３】
そして次のステップＳ１６で、エンジン１が停止していないかを判定する。その結果、エンジン１が停止してまった場合はステップＳ１７へ進んで所定値Ａを下げ（本実施形態では０．１Ｍｐａずつ下げている）、ステップＳ１１へ戻ってエンジン１の始動から第１、第２圧縮機２、３の起動までを再度行うものである。尚、所定値Ａは学習機能で最適化されるようにしても良い。
【００３４】
そして、ステップＳ１６の判定でエンジン１が停止していない場合はステップＳ１８へと進み、再度回転数が公差内に安定したか否かを確認する。そして、回転数が公差内に安定したことを確認したら最後のステップＳ１９へ進み、閉じていた電動弁７、９を通常制御の開度に開いて始動制御を終了し、通常運転に入る。
【００３５】
次に、本実施形態での特徴を述べる。圧縮機２、３の吸入側圧力Ｐｓを検知する圧力センサ１３を設けると共に、制御装置２０は、圧縮機２、３を起動させる際、まず第１圧縮機２を起動すると共に電動弁７、９を閉じ、圧力センサ１３で検知する吸入側圧力Ｐｓが所定値Ａ以下になった時に第２圧縮機３を起動している。
【００３６】
これにより、圧縮機２、３を起動する時のエンジン１の停止を回避することができる。また、バイパス回路やバイパス弁等を設ける必要がなく、従来の冷凍サイクルを構成する機器の制御だけで行えるため、コストアップを抑えることができる。
【００３７】
また、制御装置２０は、第２圧縮機３を起動することによってエンジン１が停止した場合、所定値Ａを下げてエンジン１及び圧縮機２、３の再起動を行っている。これにより、確実にエンジン駆動式冷凍サイクル装置が起動されることとなる。
【００３８】
また、上記特徴のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を空調装置１００に用い、第１、第２熱交換器６、１０を室内熱交換器６及び室外熱交換器１０としている。これにより、バイパス弁等を使わなくとも、圧縮機２、３を起動する時にエンジン１が停止することのない空調装置１００とすることができる。
【００３９】
（その他の実施形態）
上記実施形態は、エンジン駆動のヒートポンプ式空調装置であったが、本発明はこれに限らず、ヒートポンプ式以外の冷媒圧縮式冷凍サイクルに適用してもよい。また、空調装置以外の水や不凍液等のブライン（熱交換媒体）を加熱する給湯装置等に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置の模式図である。
【図２】エンジン駆動式空調装置のエンジン制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態における始動制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン（エンジン）
２第１圧縮機
３第２圧縮機
６室内熱交換器（暖房時の第１熱交換器、冷房時の第２熱交換器）
７室内機電動弁（冷房時の減圧手段）
９室外機電動弁（暖房時の減圧手段）
１０室外熱交換器（冷房時の第１熱交換器、暖房時の第２熱交換器）
１３圧力センサ（圧力検知手段）
２０制御装置（制御手段）
Ａ所定値
Ｐｓ吸入側圧力
Ｒ冷凍サイクル

Claims

冷媒を圧縮して吐出する第１、第２圧縮機（２、３）と、
前記冷媒を凝縮させる第１熱交換器（６、１０）と、
前記冷媒を減圧する減圧手段（７、９）と、
前記冷媒を蒸発させる第２熱交換器（６、１０）とを環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、
前記第１、第２圧縮機（２、３）を駆動するエンジン（１）と、
これら前記冷凍サイクル（Ｒ）及び前記エンジン（１）の状態を制御する制御手段（２０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
前記第１、第２圧縮機（２、３）の吸入側圧力（Ｐｓ）を検知する圧力検知手段（１３）を設けると共に、
前記制御手段（２０）は、前記第１、第２圧縮機（２、３）を起動させる際、まず前記第１圧縮機（２）を起動すると共に前記減圧手段（７、９）を閉じ、前記圧力検知手段（１３）で検知する前記吸入側圧力（Ｐｓ）が所定値（Ａ）以下になった時に前記第２圧縮機（３）を起動することを特徴とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
前記制御手段（２０）は、前記第２圧縮機（３）を起動することによって前記エンジン（１）が停止した場合、前記所定値（Ａ）を下げて前記エンジン（１）及び前記第１、第２圧縮機（２、３）の再起動を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
請求項１または請求項２に記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、前記第１、第２熱交換器（６、１０）を室内熱交換器（６）及び室外熱交換器としたことを特徴とする空調装置。