JP4069658B2 - エンジン駆動式冷凍サイクル装置および暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒循環による冷凍サイクルと、その冷媒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、特に低外気温時の加熱能力向上に関し、空気を加熱して居室内の暖房を行う暖房装置等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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が普及し、特に、冷凍サイクルにヒートポンプ方式を用いた冷暖房装置や給湯装置等が数多く使われている。このようなヒートポンプサイクルは、加熱時に外気から吸熱するため、外気温度が低下すると吸熱効率が低下して加熱能力が低下する（図２の外気温度と加熱能力との関係を表すグラフ参照）。このため、加熱能力が必要となる低温時ほど能力が不足して問題となっていた。
【０００３】
ちなみに、これらのエンジンには発生熱を冷却するための冷却水回路が備わっており、エンジンの冷却仕事を終えて昇温した冷却水は、ラジエータで放熱冷却して再びエンジンに供給し、これを繰り返して循環させるようになっている。以前は昇温したエンジン冷却水の熱と共に、排気ガスの熱も排熱されてなんら利用されることはなかった。しかし、上記の問題を解決する技術として、最近ではこうした排熱を再利用することが見直されてきている。つまり熱を回収して暖房や給湯加熱に有効利用することである。
【０００４】
この種のエンジン熱を回収して加熱の助成に利用するシステムとして、一般的なエンジン駆動式ヒートポンプ装置においての構造は、エンジンのウォータジャケット、又は排ガスで冷却水を加熱し、昇温した冷却水の熱を冷媒回路に供給するための冷媒加熱器を設けて冷媒回路に組み込んでいる。これにより冬季加熱時は、エンジンの排熱を熱源として回収し、この回収熱を冷媒回路における加熱の強化に利用し、夏季シーズンは排熱している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術の排熱回収を行っても、極寒時にはエンジンにて圧縮機を駆動する負荷自体が減少しているため、エンジンから発生する排熱も減少してしまい、加熱熱量が不足するという問題がある。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、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に加熱能力を向上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暖房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、エンジン（１）の吸気通路（１ａ）の途中に、吸気加熱手段（１１）を設けると共に、制御手段（１５０）は、外気温度（Ｔｏｕｔ）が第１所定温度（Ｔ１）を下回った場合に冷媒加熱器（７）にて冷媒を加熱する排熱回収を行い、外気温度（Ｔｏｕｔ）が第１所定温度（Ｔ１）より低い第２所定温度（Ｔ２）を下回った場合に吸気加熱手段（１１）でエンジン（１）の吸気を加熱する吸気加熱と排熱回収とを行うことを特徴とする。
【０００７】
エンジン（１）の吸気通路（１ａ）の途中に設ける吸気加熱手段（１１）の一例としてインテークヒータがあり、図３は、そのインテークヒータ１１の（ａ）正面図と、（ｂ）断面側面図である。従来、このインテークヒータ１１は、ディーゼルエンジンの始動補助や排気エミッション対策として使われているものである。
【０００８】
具体的には、プレヒートとしてエンジン始動の直前に発熱プレート１１ａに通電して吸入空気を暖め、低温時の始動性を向上させている。更に、アフターヒートとして始動後も一定時間、発熱プレート１１ａ・１１ｂに通電して吸入空気を暖め、アイドル安定化や白煙低減等を計っている。しかし、あくまで従来はエンジン始動の直前と直後だけの使用であり、運転中は使用されていない。
【０００９】
本案は、このような吸気加熱を低温時の運転中に行うことで、加熱した熱量を排熱として回収して加熱熱量に利用すると共に、緩慢とした低温時のエンジン燃焼を活性化させて排熱量そのものを増量することに着目したものである。エンジンの吸気温度を上昇させることで、空気と燃料の混合および燃焼反応が活性化し、燃焼温度および排気ガス温度が上昇して冷却水の加熱度が上がる。図４は、この吸気加熱の効果を説明するグラフであり、
［吸気加熱無しでの排熱量Ａ＋吸気加熱熱量Ｂ＜吸気加熱有りでの排熱量Ｃ］となっている。
【００１０】
またその結果、図５の外気温度に対する吸気加熱効果の違いを表すグラフに示すように、特に低外気温時の排熱量を向上させることができる。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【００１２】
図７は、本発明の吸気加熱＋排熱回収による効果を表すグラフである。吸気加熱も排熱回収もしない状態での加熱能力（実線の曲線）が必要能力と交差する点の外気温度を第1所定温度（Ｔ１）とし、この温度を下回る（加熱能力が必要能力を下回る）場合、まず排熱回収を行うことで加熱能力は破線の曲線へと引き上がる。
【００１３】
次に、この排熱回収を行った状態での加熱能力が必要能力と交差する点の外気温度を第２所定温度（Ｔ２）とし、この温度を下回る（加熱能力が必要能力を下回る）場合、更に吸気加熱を加えることで加熱能力は一点鎖線の曲線へと引き上げることができる。このように、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。ちなみに図7中のＳ７〜９は後述する図６のフローチャートのステップと対応するものである。
【００１４】
請求項２および請求項３記載の発明では、制御手段（１５０）は、吸気加熱を行う上で、外気温度（Ｔｏｕｔ）が低いほど吸気加熱量を大きくすることを特徴とする。このように外気温度が低いほど加熱量を大きくすることで低温時の加熱能力低下を効率よく補って必要能力を確保することができるようになる。尚図８は、本項発明における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフであり、外気温に対する吸気加熱量の変化は、直線的（Ｋ１）であっても、段階的（Ｋ２）であっても、加熱能力の低下に対応した曲線的（図示せず）であっても良い。
【００１５】
請求項４記載の発明では、吸気加熱手段（１１）として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ（１１）を用いていることを特徴とする。これにより、エンジンの始動補助や排気エミッション対策と、冷凍サイクルの加熱能力向上とに共通して使えるうえ、コストを抑えることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、凝縮器（５）を室内熱交換器（５）とし、蒸発器（８）を室外熱交換器（８）としたことを特徴とする。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することのできる暖房機とすることができる。
【００１７】
請求項６記載の発明では、制御手段（１５０）は、室内温度（Ｔｒ）が第1所定温度（ｔ１）を下回った場合に排熱回収を行い、室内温度（Ｔｒ）が第1所定温度（ｔ１）より低い第２所定温度（ｔ２）を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行うことを特徴とする。これは請求項２に記載の発明の外気温度（Ｔｏｕｔ）を室内温度（Ｔｒ）に置き換えたものである。
【００１８】
これによっても図７のグラフと同様に、室内温が低く加熱能力を必要とする状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。ちなみに、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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態におけるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置（以下、単に空調装置という）１００の全体構成を示す模式図である。
【００２０】
本実施形態は、灯油・軽油・ガソリン等を燃料とする水冷式のエンジン１により、冷媒循環による冷凍サイクル１１０の圧縮機２が駆動され、空気の冷却や加熱を行って居室内の冷暖房を行うものである。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。
【００２１】
まず全体の構成を説明すると、エンジン１によって駆動される圧縮機２、冷媒の流路を切り替える四方弁４、冷房時は蒸発器として働き暖房時は凝縮器として働く室内熱交換器５、冷媒の減圧手段である膨張弁６、エンジン１の排熱によって暖められた冷却水で冷媒を加熱する冷媒加熱器７、冷房時は凝縮器として働き暖房時は蒸発器として働く室外熱交換器８、冷媒を気液に分離しガス冷媒を導出するアキュムレ−タ９が冷媒回路（実線矢印）１１０によって順次接続され、基本となる冷凍サイクルが構成されている。
【００２２】
ここで、圧縮機２はエンジン１のクランクプーリと連動するＶベルト３によって駆動される。尚、室内熱交換器５と室外熱交換器８には、図示しない送風手段として電動式のモータで駆動される室内ファン、室外ファンが設けられている。また、膨張弁６としては、周知のように、運転時に蒸発器となる方の熱交換器出口の冷媒温度及び冷媒圧力を、各々図示しない温度センサ及び圧力センサで検知し、これらセンサからの検知信号に応じて弁開度を制御する電子膨張弁が用いられる。
【００２３】
一方、エンジン１の冷却水回路（破線）１２０は、エンジン１から排ガス熱回収機１３を通り、冷媒加熱器７に温水を供給してからエンジン１に戻る回路となっており、冷却水ポンプ１４によって循環されている。
【００２４】
尚、排ガス熱回収機１３とは、エンジン１の排気マニホールド１ｃの後流に設けられ、排気ガスによって冷却水を加熱して排ガスの排熱を回収するものである。また、冷却水回路１２０には、図示しないラジエ−タを通ってエンジン１に戻る回路も設けられており、冷房時等で排熱回収を行わない場合、ラジエ−タを通して冷却水を放熱冷却してオーバーヒートを防止するようになっている。
【００２５】
エンジン１の吸排気部分で、１０はエアクリーナであり、ここで塵埃が除去された（浄化された）空気は吸気通路１ａから吸気加熱手段としてのインテークヒータ１１（図３参照）を通り、吸気マニホールド１ｂからエンジン１に供給される。また、燃料燃焼後の排気ガスは、排気マニホールド１ｃから上記の排ガス熱回収機１３を通って排気通路１ｄを流れ、途中部のマフラ１５で消音されてから機外に放出される。
【００２６】
かかる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５及び室内ファンは、室内機１３０を構成して室内の適所に設置され、その他のものは、エンジンを内蔵して定置して使用される装置として室外機１４０を構成し、屋外の適所に設置されている。
【００２７】
そして、空調装置１００は電子回路等からなる制御装置１５０を室外機１４０内の適宜な場所に有している。そして、この制御装置１５０には、図示しない操作パネルからの設定温度Ｔｓｅｔ、図示しないセンサ群から外気温度Ｔｏｕｔ、冷却水水温Ｔｗ、排気温度Ｔｅｘ、室内温度Ｔｒ等が入力され、エンジン１、四方弁４、電子膨張弁６、インテークヒータ１１、冷却水ポンプ１４等に制御信号を出力することによって、これら両機１３０、１４０を作動制御するようになっている。
【００２８】
次に、上記構成に基づき本実施形態の作動を説明する。暖房時：制御装置１５０の暖房スイッチが起動されると、四方弁４が暖房側（実線）に切り替えられ、圧縮機２を出た高温のガス冷媒は四方弁４を通り、室内熱交換器５で凝縮し暖房を行う。
【００２９】
その後、膨張弁６で減圧され、冷媒加熱器７でエンジン１の熱を回収した温水と熱交換して蒸発し、室外熱交換器８にて空気と熱交換（外気吸熱）して更に蒸発し、四方弁４を再び通り、アキュムレータ９から圧縮機２に戻る。この時、温水回路１２０において、エンジン１からの温水は、排ガス熱回収機１３で排ガスにて更に加熱され、冷媒加熱器９で冷媒を加熱してから再びエンジン１に戻る。
【００３０】
冷房時：制御装置１５０の冷房スイッチが起動されると、四方弁４が冷房側（破線）に切り替えられ、圧縮機２を出た高温のガス冷媒は四方弁４から室外熱交換器８へ流れて放熱凝縮され、冷媒加熱器９を通過し、膨張弁６で減圧され、室内熱交換器５で吸熱蒸発し、冷房を行う。
【００３１】
その後、再び四方弁４を通り、アキュムレータ１０にて気液分離され、再び圧縮機２に戻る。この時、温水回路１２０において、エンジン１からの温水は、ラジエータを通って放熱冷却されてから再びエンジン１に戻る。
【００３２】
次に、本実施形態の加熱能力向上制御について説明する。図６は、本発明の第１実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。まずステップＳ１で、冷凍サイクルが加熱状態であるか否かを判定する。加熱状態である場合は排熱回収や吸気加熱が必要となる可能性があるとして次のステップＳ２に進む。また、加熱状態でない場合は排熱回収も吸気加熱も必要ないため、ステップＳ９へ進んで排熱回収も吸気加熱も行わない状態で繰り返す。
【００３３】
次にステップＳ２では、以後の判定に必要な情報として、センサ群で検出される外気温度Ｔｏｕｔ、冷却水水温Ｔｗ、及び排気温度Ｔｅｘを取り込む。そして、ステップＳ３では、外気温度Ｔｏｕｔを第１所定温度Ｔ１と比較して、排熱回収が必要か否かを判定する。本実施例では、この第１所定温度Ｔ１を８℃としており、８℃を下回る場合は少なくとも排熱回収が必要として次のステップＳ４へ進む。また、８℃以上の場合は排熱回収も必要ないため、ステップＳ９へ進んで排熱回収も吸気加熱も行わない状態で繰り返す。
【００３４】
次のステップＳ４では、冷却水水温Ｔｗで吸気加熱が必要か否かを判定する。ここではその閾値を９５℃としており、９５℃を下回る場合は吸気加熱も必要となる可能性があるとして次のステップＳ５に進む。また、９５℃以上の場合は排熱回収可能としてステップＳ８へ進み、排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【００３５】
次のステップＳ５では、排気温度Ｔｅｘが排熱回収に使えるだけ高いか否かを判定する。ここではその閾値を３００℃としており、３００℃を下回る場合は吸気加熱も必要となる可能性があるとして次のステップＳ６に進む。また、３００℃以上の場合は排熱回収可能としてステップＳ８へ進み、排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【００３６】
次にステップＳ６では、外気温度Ｔｏｕｔを第２所定温度Ｔ２と比較して、吸気加熱が必要か否かを判定する。本実施例では、この第２所定温度Ｔ２を０℃としており、０℃を下回る場合は吸気加熱が必要として次のステップＳ７へ進んで排熱回収も吸気加熱も行う。また、０℃以上の場合は吸気加熱は必要ないため、ステップＳ８へ進んで排熱回収を行い吸気加熱は行わない。
【００３７】
次に、本実施形態の特徴について説明する。エンジン１の吸気通路１ａの途中に、インテークヒータ１１を設けると共に、制御装置１５０は、外気温度Ｔｏｕｔが所定値Ｔ２より低い場合、インテークヒータ１１でエンジン１の吸気を加熱する吸気加熱を行うと共に、冷媒加熱器７にて冷媒を加熱する排熱回収を行っている。
【００３８】
本実施形態では、このような吸気加熱を低温時の運転中に行うことで、加熱した熱量を排熱として回収して加熱熱量に利用すると共に、緩慢とした低温時のエンジン燃焼を活性化させて排熱量そのものを増量している（図４、５参照）。これは、特に低外気温時の排熱量を向上させることができ、これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【００３９】
また、制御装置１５０は、外気温度Ｔｏｕｔが第1所定温度Ｔ１を下回った場合に排熱回収を行い、外気温度Ｔｏｕｔが第1所定温度Ｔ１より低い第２所定温度Ｔ２を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行っている（図７参照）。このように、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【００４０】
また、吸気加熱手段として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ１１を用いている。これにより、エンジンの始動補助や排気エミッション対策と、冷凍サイクルの加熱能力向上とに共通して使えるうえ、コストを抑えることができる。
【００４１】
また、このようなエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、凝縮器を室内熱交換器５とし、蒸発器を室外熱交換器８としている。これにより、外気温が低く加熱能力が不足する状況時に吸気加熱をしながら排熱回収を行うことで、効率よく加熱能力を向上することのできる暖房機とすることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフである。第１実施形態と異なるのは、制御装置１５０で吸気加熱を行う場合、外気温度Ｔｏｕｔが低いほど吸気加熱量を大きくしている。このように外気温度が低いほど加熱量を大きくすることで低温時の加熱能力低下を効率よく補って必要能力を確保することができるようになる。
【００４３】
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。第１実施形態のフローチャート（図６）とは外気温度Ｔｏｕｔを室内温度Ｔｒに置き換えており、制御装置１５０は、室内温度Ｔｒが第1所定温度ｔ１（本実施例では１８℃）を下回った場合に排熱回収を行い、室内温度Ｔｒが第1所定温度ｔ１より低い第２所定温度ｔ２（本実施例では１０℃）を下回った場合に吸気加熱と排熱回収とを行っている。
【００４４】
これによっても第１実施形態と同様に、室内温が低く加熱能力を必要とする状況時に順次排熱回収と吸気加熱とを行うことで、効率よく加熱能力を向上することができる。
【００４５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態は、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。
【００４６】
また、上述の実施形態では、吸気加熱手段として電気ヒータを用いているがこれに限らず、エンジン冷却水、エンジン排ガス、サイクル冷媒等と熱交換してエンジン吸気を過熱するものであっても良い。また、上述の実施形態では、インテークヒータへの電力供給は外部電源によるものとしているが、エンジンで駆動する発電機を設けて得られる電力を利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジン駆動のヒートポンプ式空調装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】外気温度と加熱能力との関係を表すグラフである。
【図３】吸気加熱手段の一例として、インテークヒータの（ａ）正面図、（ｂ）断面側面図である。
【図４】吸気加熱の効果を説明するグラフである。
【図５】外気温度に対する吸気加熱効果の違いを表すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の吸気加熱＋排熱回収による効果を表すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態における外気温度と吸気加熱量との関係を表すグラフである。
【図９】本発明の第３実施形態における加熱能力向上のための制御プログラムの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
１ａ 吸気通路
２ 圧縮機
５ 室内熱交換器（凝縮器）
６ 膨張弁（減圧手段）
７ 冷媒加熱器
８ 室外熱交換器（蒸発器）
１１ インテークヒータ、吸気加熱手段
１１０ 冷媒回路（冷凍サイクル）
１２０ 冷却水回路
１５０ 制御装置（制御手段）
Ｔ１、ｔ１ 第1所定温度
Ｔ２、ｔ２ 第２所定温度、所定値
Ｔｏｕｔ 外気温度
Ｔｒ 室内温度

Claims (6)

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（５）、前記冷媒を減圧する減圧手段（６）、前記冷媒を蒸発させる蒸発器（８）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（１１０）と、
   前記圧縮機（２）を駆動するエンジン（１）と、
   前記エンジン（１）の冷却水回路（１２０）途中に、前記エンジン（１）の排熱によって暖められた冷却水で前記冷媒を加熱する冷媒加熱器（７）と、
   これら前記冷凍サイクル（１１０）、前記エンジン（１）、及び前記冷却水回路（１２０）の状態を制御する制御手段（１５０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
   前記エンジン（１）の吸気通路（１ａ）の途中に、吸気加熱手段（１１）を設けると共に、
   前記制御手段（１５０）は、外気温度（Ｔｏｕｔ）が第１所定温度（Ｔ１）を下回った場合に前記冷媒加熱器（７）にて冷媒を加熱する排熱回収を行い、外気温度（Ｔｏｕｔ）が前記第１所定温度（Ｔ１）より低い第２所定温度（Ｔ２）を下回った場合に前記吸気加熱手段（１１）で前記エンジン（１）の吸気を加熱する吸気加熱と前記排熱回収とを行うことを特徴とするエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
2. 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（５）、前記冷媒を減圧する減圧手段（６）、前記冷媒を蒸発させる蒸発器（８）を環状に接続して形成した冷凍サイクル（１１０）と、
   前記圧縮機（２）を駆動するエンジン（１）と、
   前記エンジン（１）の冷却水回路（１２０）途中に、前記エンジン（１）の排熱によって暖められた冷却水で前記冷媒を加熱する冷媒加熱器（７）と、
   これら前記冷凍サイクル（１１０）、前記エンジン（１）、及び前記冷却水回路（１２０）の状態を制御する制御手段（１５０）とを備えるエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
   前記エンジン（１）の吸気通路（１ａ）の途中に、吸気加熱手段（１１）を設けると共に、
   前記制御手段（１５０）は、前記吸気加熱手段（１１）で前記エンジン（１）の吸気を加熱する吸気加熱を行う上で、外気温度（Ｔｏｕｔ）が低いほど吸気加熱量を大きく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。
3. 前記制御手段（１５０）は、前記吸気加熱を行う上で、外気温度（Ｔｏｕｔ）が低いほど吸気加熱量を大きくする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。
4. 前記吸気加熱手段（１１）として、エンジンの始動補助装置であるインテークヒータ（１１）を用いていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエンジン駆動式冷凍サイクル装置を備え、前記凝縮器（５）を室内熱交換器（５）とし、前記蒸発器（８）を室外熱交換器（８）としたことを特徴とする暖房装置。
6. 前記制御手段（１５０）は、室内温度（Ｔｒ）が第１所定温度（ｔ１）を下回った場合に前記排熱回収を行い、室内温度（Ｔｒ）が前記第１所定温度（ｔ１）より低い第２所定温度（ｔ２）を下回った場合に前記吸気加熱と前記排熱回収とを行うことを特徴とする請求項５に記載の暖房装置。

Images