JP4052020B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部熱源によって暖められた流体で冷媒を加熱する冷媒加熱器を持ち、空気や水等の流体の加熱を行なうヒートポンプシステムに関するものであり、空気を加熱して居室内の暖房を行なうヒートポンプ式空調装置等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
空気や水等の流体の加熱を行なうヒートポンプシステムにおいては、加熱能力を向上させたいという要望がある。そのための従来技術として、例えばエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置等では、空気熱源に加えてエンジンの排熱を冷却水から回収する方法がある。他に、空気熱源に加えて燃焼器を内蔵または外付けとし、その燃焼器の熱を回収する方法等がある。
【０００３】
このようなヒートポンプシステムは、エンジンの排熱のように運転状態に比例した熱源か、燃焼器のように一定もしくは制御できる熱源から熱回収を行なって加熱能力を向上させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、空気熱源に加え、例えば他のシステムの余剰熱等でヒートポンプシステムとは無関係に変動する外部熱源から熱回収を行なうような場合、従来の空気熱源から熱回収する意図で外気を蒸発器に送風し続けることが、場合によっては放熱ロスとなり、必ずしも加熱能力の向上にならないという問題がある。
【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、ヒートポンプシステムとは無関係に変動する外部熱源から熱回収を行なう上で、加熱能力が向上するように室外ファンの運転を制御するヒートポンプシステム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に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（２）、冷媒を凝縮させる凝縮器（４）、冷媒を減圧する減圧手段（６）、および冷媒を蒸発させる蒸発器（７）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、
外部熱源（１２）によって暖められた流体で冷媒を加熱する冷媒加熱器（８）と、
蒸発器（７）に外気を送風する送風手段（７ａ）と、
外気の温度を検知する外気温検知手段（１３）と、
送風手段（７ａ）の運転を制御する送風機制御手段（１５）とを備え、
送風機制御手段（１５）は、冷媒加熱器（８）より加えられる外部給熱量（Ｑ）に基づいて外気吸熱可能温度（Ｔｋ）を求めると共に、外気温検知手段（１３）で検知される外気温度（Ｔｇ）が外気吸熱可能温度（Ｔｋ）より高い場合には送風手段（７ａ）を運転し、外気温度（Ｔｇ）が外気吸熱可能温度（Ｔｋ）以下の場合には送風手段（７ａ）を停止させるヒートポンプシステムにおいて、
冷凍サイクル（Ｒ）の低圧側圧力を検知する低圧側圧力検知手段（１４）を設け、送風機制御手段（１５）は、外部給熱量（Ｑ）が不明な場合、低圧側圧力検知手段（１４）で検知される低圧側圧力（Ｐｔ）に基づいて外部給熱量（Ｑ）を推定し、その推定した外部給熱量（Ｑ１、Ｑ２）から外気吸熱可能温度（Ｔｋ）を求めることを特徴とする。
【０００７】
これは、冷媒加熱器（８）より加えられる外部給熱量（Ｑ）が大きい場合、蒸発器（７）で外気から吸熱できる温度条件は高くなり、その温度以上の外気であれば吸熱効果を発揮できるが、その温度以下の外気であるとかえって放熱してロスとなることに着目したものである。
【０００８】
よって、その都度の低圧側圧力（Ｐｔ）から外部給熱量（Ｑ１、Ｑ２）が推定され、その推定した外部給熱量（Ｑ１、Ｑ２）から閾値となる外気吸熱可能温度（Ｔｋ）が求められ、外気温度（Ｔｇ）が外気吸熱可能温度（Ｔｋ）より高い場合には送風手段（７ａ）を運転して吸熱作用を行なわせ、外気温度（Ｔｇ）が外気吸熱可能温度（Ｔｋ）以下の場合には送風手段（７ａ）を停止させて放熱を防ぐようにしている。
これにより、ヒートポンプシステムとは無関係に変動する外部熱源（１２）からの外部給熱量（Ｑ１、Ｑ２）で熱回収を行なっていても、常にヒートポンプシステムの加熱能力が向上するよう送風手段である室外ファン（７ａ）の運転が制御されることとなる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、冷凍サイクル（Ｒ）でヒートポンプ式空調装置を構成しており、外部熱源（１２）とは他のシステム用のボイラであることを特徴とする。これにより、ヒートポンプ式空調装置とは無関係に変動する他のシステム用ボイラ等の余剰熱も、ヒートポンプ式空調装置の加熱能力が向上するよう常に効率良く熱回収に利用することができるようになる。尚、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施の前提となる形態）
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の前提となる形態におけるヒートポンプ式空調装置１００の構成を示す模式図である。本形態は、水冷式のエンジン（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、このヒートポンプ式空調装置１００は定置型或いは車両搭載型の空調装置として用いられ、屋内や車室内を冷暖房することができるが、本形態では定置型に適用したものとして述べる。
【００１３】
ヒートポンプ式空調装置１００は、各冷凍サイクル機器間を冷媒配管で接続して冷凍サイクルＲを構成し、屋内暖房時には、圧縮機２→四方弁３→室内熱交換器（凝縮器）４→室内機電動弁５→室外機電動弁（減圧手段）６→室外熱交換器（蒸発器）７→四方弁３→冷媒加熱器８→アキュームレータ９→圧縮機２の順に冷媒を流通（実線矢印）させて暖房している。
【００１４】
また、屋内冷房時には、圧縮機２→四方弁３→室外熱交換器（凝縮器）７→室外機電動弁６→室内機電動弁（減圧手段）５→室内熱交換器（蒸発器）４→四方弁３→冷媒加熱器８→アキュームレータ９→圧縮機２の順に冷媒を流通（破線矢印）させて冷房している。尚、冷媒加熱器８は本発明の要部でもあるため、説明を後述する。
【００１５】
室内熱交換器４は、暖房時には凝縮器として機能し、冷房時には蒸発器として機能する。また、室外熱交換器７は、暖房時には蒸発器として機能し、冷房時には凝縮器として機能する。そして、暖房時には、室外機電動弁６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５が減圧手段である膨張弁として機能する。
【００１６】
エンジン１は、クランクプーリ１ａに巻き付けられたＶベルト１ｂにより圧縮機２に設けられたプーリ２ａに駆動力を伝達するようになっている。そして、プーリ２ａと圧縮機２との間には、プーリ２ａに伝達された駆動力を圧縮機２に伝達または遮断する駆動力断続手段として電磁クラッチ（図示せず）が設けられている。
【００１７】
また、圧縮機２の吐出側（四方弁３側）に接続された冷媒配管には、圧縮機２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（図示せず）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の吸入側（アキュームレータ９側）に接続された冷媒配管の経路中に圧縮機２前後の差圧により戻されるようになっている。
【００１８】
１０ａは冷却水回路であり、エンジン１の本体内に形成されエンジン１を冷却するための図示しない冷却水通路と、ラジエータ１０との間を冷却水ポンプ１１によって循環される。ここで、冷却水ポンプ１１は電動ポンプであり、ラジエータ１０は冷却水と外気とを熱交換する周知の熱交換器である。また、冷却水通路の出入口とラジエータ１０・冷却水ポンプ１１は例えばゴムホース等によって連結されている。
【００１９】
上記構成を有するヒートポンプ式空調装置１００において、各構成要素のうち室内熱交換器４及び室内機電動弁５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。
【００２０】
そして、ヒートポンプ式空調装置１００は、電子回路等からなる制御手段として制御装置（図示せず）を有し、この制御装置は、図示しない室内に設けられたコントローラ、後述する外気温センサ１３・冷媒温センサ・水温センサ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。
【００２１】
次に、本実施の前提となる形態の要部の構成を説明する。本実施形態のヒートポンプ式空調装置１００は、外部熱源１２によって暖められた流体で冷媒を加熱する冷媒加熱器８を備えている。ここでいう外部熱源１２は、他のシステム用の熱源、例えばボイラ等で、本空調装置用に設置した熱源ではないため本空調装置とは無関係に変動するものである。しかし、空気熱源に加え、このような他のシステムの余剰熱等から熱回収を行ない、加熱能力を向上させようとするものである。
【００２２】
冷媒加熱器８は、例えば金属等からなる２重管式の熱交換器でありボイラ１２からの温水と冷媒とが熱交換可能になっている。７ａは室外熱交換器７に外気を送風する送風手段としての室外ファンである。また、その室外熱交換器７に送風される外気の温度を検知する外気温検知手段としての外気温センサ１３を備えている。
【００２３】
そして、上述の図示しない制御装置の中に、室外ファン７ａの運転を制御する送風機制御手段としての室外ファン制御装置１５の部分が内蔵されており、外部熱源１２から与えられる外部給熱量Ｑの情報と、外気温センサ１３での検知信号が入力され、室外ファン７ａに運転信号を出力するようになっている。ちなみに１４は、本発明の実施形態に係わる機器であるため、後述の本発明の実施形態で説明する。
【００２４】
次に、本形態の作動を上記構成に基づいて説明する。制御装置は、ヒートポンプ式空調装置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。
【００２５】
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信号が制御装置に入力されると、制御装置は暖房運転時の制御処理を実行する。制御装置は四方弁３を暖房側（実線）に切り替えるとともに、エンジン１を起動し圧縮機２を駆動する。また、室内機電動弁５を全開にすると共に、室外機電動弁６を膨張弁として機能する開度に調節する。
【００２６】
圧縮機２を出た高温のガス冷媒は、四方弁３を通り、室内熱交換器４で凝縮することで暖房を行なった後、室外機電動弁６で減圧され、室外熱交換器７で蒸発し、四方弁３を再び通り、続いて冷媒加熱器８で、ボイラ１２の余剰熱としての温水と熱交換して加熱された後、アキュームレータ９にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２に戻る。
【００２７】
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信号が制御装置に入力されると、制御装置は冷房運転時の制御処理を実行する。制御装置は四方弁３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を駆動する。また、室外機電動弁６を全開にすると共に、室内機電動弁５を膨張弁として機能する開度に調節する。
【００２８】
圧縮機２を出た高温のガス冷媒は、四方弁３を通り、室外熱交換器７で凝縮し、室内機電動弁５で減圧され、室内熱交換器４で蒸発することで冷房を行なった後、四方弁３を再び通り、続いて冷媒加熱器８からアキュームレータ９に送られ、アキュームレータ９にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２に戻る。
【００２９】
暖房・冷房いずれの場合もエンジン１の起動後、冷却水温度によって冷却水ポンプ１１が起動される。冷却水ポンプ１１によって圧送された冷却水は、エンジン１内の冷却水通路を流れ、エンジン排熱を回収した後、ラジエータ１０にて外気と熱交換して放熱が行なわれる。
【００３０】
次に、暖房運転における室外ファン７ａの運転制御について説明する。図２は本発明の実施の前提となる形態おける室外ファン制御のフローチャートである。まず、暖房運転がスタートすると、ステップＳ１では外気温センサ１３で検知される外気温度Ｔｇを取り込み、ステップＳ２では外部熱源１２から与えられる外部給熱量Ｑの情報を取り込む。
【００３１】
図３は、外部給熱量Ｑと室外熱交換器７での外気吸熱可能温度Ｔｋの関係を表すグラフであり、与えられる外部給熱量Ｑが小さければ低い温度の外気からでも吸熱効果があり、与えられる外部給熱量Ｑが大きい時には、高い温度の外気でないと吸熱できずに放熱となる関係を表している。ステップＳ３ではこの関係を用いて、ステップＳ２で取り込んだ外部給熱量Ｑの情報から室外熱交換器７で外気吸熱可能な温度Ｔｋを導き出して設定する。
【００３２】
そして、ステップＳ４ではステップＳ１で取り込んだ外気温度ＴｇとステップＳ３で設定した外気吸熱可能温度Ｔｋとを比較し、外気温度Ｔｇが外気吸熱可能温度Ｔｋより高い場合にはステップＳ５に進み、室外ファン７ａを運転して吸熱作用を行なわせ、外気温度Ｔｇが外気吸熱可能温度Ｔｋ以下の場合にはステップＳ６に進んで室外ファン７ａを停止させ、放熱を防ぐようにしている。そして、この条件判断を暖房運転の間くりかえすものである。
【００３３】
このように、常にヒートポンプシステムの加熱能力が向上するよう、室外ファン７ａの運転が制御されることとなる。また、このような冷凍サイクルＲでヒートポンプ式空調装置１００を構成しており、外部熱源１２に他のシステム用のボイラを用いている。これにより、ヒートポンプ式空調装置１００とは無関係に変動する他のシステム用ボイラ１２等の余剰熱も、ヒートポンプ式空調装置１００の加熱能力が向上するよう常に効率良く熱回収に利用することができるようになる。
【００３４】
（本発明の実施形態）
上述の実施の前提となる形態と異なるのは、外部熱源１２から与えられる外部給熱量Ｑが不明なことである。それを補うため、図１のヒートポンプ式空調装置１００の構成を示す模式図において、冷凍サイクルＲの低圧側圧力Ｐｔを検知する低圧側圧力検知手段としての圧力スイッチ１４を備え、その圧力スイッチ１４からの圧力信号Ｐｔは室外ファン制御装置１５に入力するようになっている。
【００３５】
図４は、本発明の実施形態おける室外ファン制御のフローチャートである。上述した図２の実施の前提となる形態のフローチャートとは、ステップＳ２・Ｓ３の部分の内容のみ異なる。まず、暖房運転がスタートすると、ステップＳ１では外気温センサ１３で検知される外気温度Ｔｇを取り込み、次のステップＳ１２では圧力センサ１４で検知される低圧側圧力Ｐｔを取り込む。
【００３６】
図５は室外ファン７ａ運転時の低圧側圧力Ｐｔと外部給熱量Ｑの関係を表すグラフであり、図６は室外ファン７ａ停止時の低圧側圧力Ｐｔと外部給熱量Ｑの関係を表すグラフであり、いずれも与えられる外部給熱量Ｑが大きくなると低圧側圧力Ｐｔが高くなる関係を表している。また、図７は図３と同じ外部給熱量Ｑと室外熱交換器７での外気吸熱可能温度Ｔｋの関係を表すグラフである。
【００３７】
ステップＳ１３では、これらの関係を用い、まずステップＳ１２で取り込んだ低圧側圧力Ｐｔから外部給熱量Ｑを推定している。室外ファン７ａ運転中であれば図５からその時の外気温度Ｔｇと合わせて（図５は外気温度Ｔｇが−５℃の場合）外部給熱量Ｑ１が導き出され、室外ファン７ａ停止中であれば図６から外部給熱量Ｑ２が導き出される。そして、その導き出した外部給熱量Ｑ１またはＱ２を用いて図７から室外熱交換器７で外気吸熱可能な温度Ｔｋを導き出して設定する。
【００３８】
その次、ステップＳ４ではステップＳ１で取り込んだ外気温度ＴｇとステップＳ１３で設定した外気吸熱可能温度Ｔｋとを比較し、外気温度Ｔｇが外気吸熱可能温度Ｔｋより高い場合にはステップＳ５に進み、室外ファン７ａを運転して吸熱作用を行なわせ、外気温度Ｔｇが外気吸熱可能温度Ｔｋ以下の場合にはステップＳ６に進んで室外ファン７ａを停止させ、放熱を防ぐようにしているのは実施の前提となる形態と同じである。そして、この条件判断を暖房運転の間くりかえすものである。
【００３９】
これにより、その都度の低圧側圧力Ｐｔから外部給熱量Ｑが推定され、その推定外部給熱量Ｑ１またはＱ２から閾値となる外気吸熱可能温度Ｔｋが求められて室外ファン７ａの運転が制御されるため、ヒートポンプシステムとは無関係に変動する外部熱源１２からの外部給熱量Ｑで熱回収を行なっていても、常にヒートポンプシステムの加熱能力が向上するように制御されることとなる。
【００４０】
（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、空調装置以外の例えば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し、圧縮機２はエンジン駆動以外の電動圧縮機等であっても良い。また、外部熱源１２もボイラ以外の熱源であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の前提となる形態におけるヒートポンプ式空調装置の構成を示す模式図である。
【図２】 本発明の実施の前提となる形態おける室外ファン制御のフローチャートである。
【図３】 外部給熱量と外気吸熱可能温度との関係を表すグラフである。
【図４】 本発明の実施形態おける室外ファン制御のフローチャートである。
【図５】 室外ファン運転時の低圧側圧力と外部給熱量との関係を表すグラフである。
【図６】 室外ファン停止時の低圧側圧力と外部給熱量との関係を表すグラフである。
【図７】 外部給熱量と外気吸熱可能温度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
２ 圧縮機
４ 室内熱交換器（凝縮器）
６ 室外機電動弁（減圧手段）
７ 室外熱交換器（蒸発器）
７ａ 室外ファン（送風手段）
８ 冷媒加熱器
１２ ボイラ（外部熱源）
１３ 外気温センサ（外気温検知手段）
１４ 圧力センサ（低圧側圧力検知手段）
１５ 室外ファン制御装置（送風機制御手段）
Ｐｔ 低圧側圧力
Ｑ、Ｑ１、Ｑ２ 外部給熱量
Ｒ 冷凍サイクル
Ｔｇ 外気温度
Ｔｋ 外気吸熱可能温度

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（２）、前記冷媒を凝縮させる凝縮器（４）、前記冷媒を減圧する減圧手段（６）、および前記冷媒を蒸発させる蒸発器（７）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（Ｒ）と、
   外部熱源（１２）によって暖められた流体で前記冷媒を加熱する冷媒加熱器（８）と、
   前記蒸発器（７）に外気を送風する送風手段（７ａ）と、
   前記外気の温度を検知する外気温検知手段（１３）と、
   前記送風手段（７ａ）の運転を制御する送風機制御手段（１５）とを備え、
   前記送風機制御手段（１５）は、前記冷媒加熱器（８）より加えられる外部給熱量（Ｑ）に基づいて外気吸熱可能温度（Ｔｋ）を求めると共に、前記外気温検知手段（１３）で検知される外気温度（Ｔｇ）が前記外気吸熱可能温度（Ｔｋ）より高い場合には前記送風手段（７ａ）を運転し、前記外気温度（Ｔｇ）が前記外気吸熱可能温度（Ｔｋ）以下の場合には前記送風手段（７ａ）を停止させるヒートポンプシステムにおいて、
   前記冷凍サイクル（Ｒ）の低圧側圧力を検知する低圧側圧力検知手段（１４）を設け、前記送風機制御手段（１５）は、前記外部給熱量（Ｑ）が不明な場合、前記低圧側圧力検知手段（１４）で検知される低圧側圧力（Ｐｔ）に基づいて前記外部給熱量（Ｑ）を推定し、その推定した外部給熱量（Ｑ１、Ｑ２）から前記外気吸熱可能温度（Ｔｋ）を求めることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記冷凍サイクル（Ｒ）でヒートポンプ式空調装置を構成しており、前記外部熱源（１２）とは他のシステム用のボイラであることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプシステム。

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