JP5481937B2

JP5481937B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP5481937B2
Application number: JP2009129423A
Authority: JP
Inventors: 知秀西川; 秀行末廣
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010276275A; KR101174555B1; KR20100129138A

Description

本発明は、エンジンにより圧縮機を駆動するエンジン駆動式の空気調和装置であって、エンジンの排熱を利用可能な空気調和装置に関するものである。

従来、空気調和装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この空気調和装置は、エンジンをその冷却液の温度に対応する回転速度（暖機運転回転速度）で運転する暖機運転手段と、空調負荷に対応する回転速度で運転する負荷制御手段と、エンジンの暖機運転中に高圧圧力スイッチが作動したときに暖機運転を中止して空調負荷に対応する回転速度での運転に切り換える切換手段とを備えている。この空気調和装置によれば、エンジンの暖機運転中に高圧圧力スイッチが作動すると、暖機運転自体は中止されるものの、空調負荷に対応する回転速度でのエンジンの運転が継続されることで、暖機運転中におけるエンジンの停止が防止されている。これにより、例えば高圧圧力スイッチが作動したときに暖機運転中のエンジンを自動的に停止させてしまう場合に比べ、冷却液の温度を速やかに上昇させることができ、暖機運転時間を短縮することができる。

特開平９−１０５５６４号公報

ところで、特許文献１の空気調和装置では、エンジンの暖機運転中に高圧圧力スイッチが作動すると、エンジンは空調負荷に対応する回転速度での運転が継続されるものの暖機運転自体は中止されることから、本来の暖機運転を継続した場合に比べれば依然として当該運転が長時間化することになる。

一方、こうした圧縮機の冷媒圧力の制約によるエンジンの暖機運転の長時間化を回避するため、エンジンと圧縮機との間の動力伝達を断接するクラッチを設けて、暖機運転中は該クラッチを非接続状態にしてエンジンの冷却液温度を速やかに上昇させることも行われている。しかしながら、この場合には、クラッチ及びその周辺構造の分だけ部品点数が増大することになり、ひいてはコストの増大を余儀なくされてしまう。

本発明の目的は、部品点数を増大することなく、エンジンの暖機運転時間をより一層短縮することができる空気調和装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、エンジン、該エンジンに常時一体回転するように駆動連結されて冷媒を圧縮する圧縮機、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器、前記エンジンの排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路及び該冷却液回路に設けられ暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱熱交換器を有する室外機と、暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機とを備える空気調和装置において、前記圧縮機の吐出管の冷媒圧力が高側所定圧力を超えたときに作動する高圧圧力スイッチと、前記圧縮機の吸入管の冷媒圧力が低側所定圧力を下回ったときに作動する低圧圧力スイッチと、前記吐出管及び前記吸入管の間を連通する冷媒配管に設けられるバイパス弁と、前記冷却液の温度が所定目標温度を下回るときに前記エンジンを暖房能力に基づく最大を含む所定範囲の回転速度で暖機運転し、前記冷却液の温度が前記所定目標温度を超えるときに前記エンジンを全室内機の空調負荷に対応する回転速度で運転する運転制御手段とを備え、前記圧縮機は、前記エンジンの出力軸に前記圧縮機の入力軸が直結される態様で前記エンジンに駆動連結され、前記運転制御手段は、暖房運転時、前記エンジンの暖機運転中に前記高圧圧力スイッチ又は前記低圧圧力スイッチの作動により、前記冷媒配管を連通させるように前記バイパス弁を開閉制御することを要旨とする。

同構成によれば、前記圧縮機は、前記エンジンに常時一体回転するように駆動連結され、該エンジンとの間に動力伝達を断接するクラッチなどを設ける必要がないため、部品点数を削減することができる。そして、前記冷却液の温度が所定目標温度を下回るときには（エンジンの冷間状態）、前記運転制御手段により前記エンジンは暖房能力に基づく最大を含む所定範囲の回転速度で暖機運転されるため、前記冷却液の温度を速やかに上昇させることができる。この際、前記圧縮機の冷媒圧力に異常が生じて、前記吐出管の冷媒圧力が前記高側所定圧力を超え、あるいは前記吸入管の冷媒圧力が前記低側所定圧力を下回ったときは、前記バイパス弁により前記吐出管及び前記吸入管の間が連通されることで、前記圧縮機の冷媒圧力の異常が解消される。従って、前記エンジンの暖機運転中、前記圧縮機の冷媒圧力の異常を解消するための該圧縮機の停止、即ち前記エンジンの停止が不要とされる。

以上により、部品点数を増大することなく、前記エンジンの暖機運転時間を短縮することができ、暖房運転時、冷媒の蒸発器として機能する前記エンジン排熱熱交換器において、温度上昇した前記冷却液を速やかに利用することができるため、暖房の立ち上がりを向上することができる。

本発明では、部品点数を増大することなく、エンジンの暖機運転時間をより一層短縮することができる空気調和装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す回路図。空調負荷とエンジン回転速度との関係を示すマップ。同実施形態の制御態様を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るガスヒートポンプ式の空気調和装置１を示す回路図である。同図に示されるように、空気調和装置１は、室外機１０と、複数の室内機３０とを備えて構成されている。

室外機１０には、ガスエンジン１１が設置されるとともに、例えばその出力軸に入力軸が直結される態様で該ガスエンジン１１に常時一体回転するように駆動連結された圧縮機１２が設置されている。この圧縮機１２は、その吸入管１２ａから吸入した冷媒を圧縮するとともに、その吐出管１２ｂに冷媒配管１３ａを介して接続された四方弁１４に冷媒を送り出す。四方弁１４は、冷媒配管１３ｂを介して室外機熱交換器１５に接続されるとともに、冷媒配管１３ｃを介してエンジン排熱熱交換器１６に接続され、更に冷媒配管１３ｄを介して各室内機３０（室内機熱交換器３１）に接続されている。

なお、冷媒配管１３ａ（吐出管１２ｂ）は、冷媒配管１３ｅを介してアキュームレータ１８に接続されている。このアキュームレータ１８は、冷媒配管１３ｆを介して前記冷媒配管１３ｃに接続されるとともに、冷媒配管１３ｇを介して圧縮機１２の吸入管１２ａに接続されている。そして、冷媒配管１３ｅには、例えば電磁開閉弁からなるバイパス弁としてのホットガス弁１７が設けられている。このホットガス弁１７は、圧縮機１２の冷媒圧力の異常時、即ち吸入管１２ａの冷媒圧力が低側所定圧力ＰＬ（０．１３MPa未満が好ましい）を下回るとき又は吐出管１２ｂの冷媒圧力が高側所定圧力ＰＨ（３．１MPa以上が好ましい）（＞ＰＬ）を超えるときに開放されることで、アキュームレータ１８を介して圧縮機１２の吸入管１２ａ及び吐出管１２ｂの間を連通して前記冷媒圧力の異常を解消する。

前記室外機熱交換器１５は、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管１３ｈを介して室内機３０（電子膨張弁３２）に接続されている。そして、冷媒配管１３ｈには、室内機３０側への冷媒の流れを許容する逆止弁２１が配置されるとともに、該逆止弁２１と並列で電子膨張弁２２が配置されている。一方、前記エンジン排熱熱交換器１６は、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管１３ｉを介して室内機３０（電子膨張弁３２）に接続されている。そして、冷媒配管１３ｉには、電子膨張弁２３が配置されている。

各室内機３０に設置された室内機熱交換器３１は、前記冷媒配管１３ｄに接続されるとともに、電子膨張弁３２に接続されている。そして、電子膨張弁３２は、前記冷媒配管１３ｈ，１３ｉに接続されている。室内機熱交換器３１は、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する。

また、室外機１０には、ガスエンジン１１の排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路Ｌが設けられている。この冷却液回路Ｌは、ウォータポンプやサーモスタット弁等を備えた周知の構造であって、前記エンジン排熱熱交換器１６は冷却液回路Ｌに設けられている。そして、エンジン排熱熱交換器１６には、サーモスタット弁の作動により、ガスエンジン１１の排熱との間の熱交換で加熱された冷却液（例えば５０°Ｃ以上の冷却液）が供給されるように設定されている。これにより、エンジン排熱熱交換器１６に導かれた冷却液は、該エンジン排熱熱交換器１６を流れる冷媒との熱交換に供せられて該冷媒を加熱する。

次に、空気調和装置１の空気調和に係る動作について説明する。なお、冷房及び暖房の各運転時における冷媒の流れを実線矢印及び破線矢印にて表している。
まず、冷房運転時において、圧縮機１２の吐出管１２ｂを出た冷媒は、四方弁１４を通過した後、凝縮器として機能する室外機熱交換器１５に導かれる。室外機熱交換器１５において、冷媒は室外の空気（外気）により熱を奪われ、凝縮・液化する。その後、逆止弁２１を介して室内機３０に導かれた冷媒は、電子膨張弁３２において減圧されるとともに、蒸発器として機能する室内機熱交換器３１において、室内の空気の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、四方弁１４及びアキュームレータ１８を介して圧縮機１２の吸入管１２ａに戻る。以上の過程を経ることで、室内が冷房される。

一方、暖房運転時において、圧縮機１２の吐出管１２ｂを出た冷媒は、四方弁１４を通過した後、室内機３０に導かれる。そして、冷媒は、凝縮器として機能する室内機熱交換器３１において、室内の空気に熱を放出し、凝縮・液化する。その後、電子膨張弁３２において減圧された冷媒は、電子膨張弁２２において更に減圧されて室外機熱交換器１５に導かれ、あるいは電子膨張弁２３において更に減圧されてエンジン排熱熱交換器１６に導かれる。室外機熱交換器１５及びエンジン排熱熱交換器１６に導かれる冷媒量は、電子膨張弁２２，２３により制御される。そして、冷媒は、蒸発器として機能する室外機熱交換器１５において、室外の空気の熱を吸収・気化し、あるいは蒸発器として機能するエンジン排熱熱交換器１６において、エンジン排熱（ガスエンジン１１の排熱）により加熱された冷却液の熱を吸収・気化する。その後、室外機熱交換器１５からの四方弁１４を介した冷媒とエンジン排熱熱交換器１６からの冷媒とが合流し、アキュームレータ１８を介して圧縮機１２の吸入管１２ａに戻る。以上の過程を経ることで、室内が暖房される。暖房運転時、特にエンジン排熱熱交換器１６においてエンジン排熱を冷媒と熱交換させることで、暖房能力が向上される。

ここで、室外機１０には、ガスエンジン１１等を駆動制御する運転制御手段としての制御装置４１が設けられている。この制御装置４１は、マイコンを主体に構成されており、前記吸入管１２ａの冷媒圧力が低側所定圧力ＰＬ（０．１３MPa未満が好ましい）を下回るときに作動する低圧圧力スイッチ４２、前記吐出管１２ｂの冷媒圧力が高側所定圧力ＰＨ（３．１MPa以上が好ましい）を超えるときに作動する高圧圧力スイッチ４３及び前記冷却液回路Ｌを循環する冷却液の温度（冷却液温度Ｔｗ）を検出する温度センサ４４にそれぞれ電気的に接続されている。また、制御装置４１は、各室内機３０に設定されている温度調整の設定温度（操作パネルやリモコン等の設定温度）及び実際に検出された室内温度を適宜の通信手段を通じて取得可能に構成されており、これら設定温度及び室内温度に基づいて装置全体の空調負荷（全室内機３０で合計した空調負荷）を算出する。

そして、暖房運転時、例えば冷却液温度Ｔｗが所定の目標温度（例えば６０°Ｃ）Ｔｗｔを下回るとき（ガスエンジン１１の冷間状態）、制御装置４１は、冷却液温度Ｔｗを速やかに上昇させるべくガスエンジン１１の暖機運転を行う。具体的には、制御装置４１は、ガスエンジン１１を予め定められた暖房能力（馬力）に基づく最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭ（馬力の80〜100%）で暖機運転する。つまり、暖機運転時には、全室内機３０の空調負荷に応じたガスエンジン１１の回転速度の制限が外され、馬力によるシステムの最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭまで許容される。

この際、圧縮機１２の冷媒圧力に異常が生じて、低圧圧力スイッチ４２又は高圧圧力スイッチ４３が作動したとする。こうした冷媒圧力の異常は、例えば外気温度の著しく低い状態で暖房運転する際、蒸発器として機能する室外機熱交換器１５等の熱源が不十分になり、その分、吸入管１２ａの冷媒圧力が低くされることで発生する。そして、冷媒圧力の異常時、制御装置４１は、前記ホットガス弁１７を開放すべく該ホットガス弁１７を駆動制御する。これにより、前記吸入管１２ａ及び前記吐出管１２ｂの間が連通され、前記圧縮機１２の冷媒圧力の異常が解消される。このように圧縮機１２の冷媒圧力の異常が解消されることで、該圧縮機１２の過負荷運転が回避される。換言すれば、前記圧縮機１２の冷媒圧力の異常時には、その解消のためにガスエンジン１１の回転速度を最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭから下げる前にホットガス弁１７を開放することで、ガスエンジン１１の回転速度を下げる必要性がなくなっている。

一方、暖房運転時、例えば冷却液温度Ｔｗが前記目標温度Ｔｗｔ以上のとき、制御装置４１は、ガスエンジン１１を前記算出された空調負荷に基づく好適な回転速度で運転（通常運転）する。

図２は、装置全体の空調負荷とこれに対応して設定されるガスエンジン１１の回転速度との関係を示すマップである。同図に示すように、ガスエンジン１１の回転速度は、所定の下限回転速度及び上限回転速度の範囲内において、空調負荷が大きくなるほど高く設定される。

次に、制御装置４１によるガスエンジン１１等の制御態様について図３のフローチャートに基づき総括して説明する。同図に示すように、空気調和装置１（室内機３０）の電源投入によりガスエンジン１１が始動されると（Ｓ１）、暖機運転判定があるか否かが判断される（Ｓ２）。具体的には、現在の冷却液温度Ｔｗが目標温度Ｔｗｔ未満か否かが判断される。ここで、暖機運転判定があると判断されると、ガスエンジン１１の回転速度が前記最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭに設定され、該ガスエンジン１１は最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭで暖機運転される（Ｓ３）。

続いて、低圧・高圧回避があるか否かが判断される（Ｓ４）。具体的には、低圧圧力スイッチ４２又は高圧圧力スイッチ４３が作動しているか否かが判断される。ここで、低圧・高圧回避があると判断されると、冷媒圧力の異常解消のために前記ホットガス弁１７を開放すべく（あるいは開状態を維持すべく）、該ホットガス弁１７がオンされる（Ｓ５）。一方、低圧・高圧回避がないと判断されると、前記ホットガス弁１７を閉鎖すべく（あるいは閉状態を維持すべく）、該ホットガス弁１７がオフされる（Ｓ６）。

そして、現在の冷却液温度Ｔｗが目標温度Ｔｗｔ以上か否かが判断される（Ｓ７）。ここで、現在の冷却液温度Ｔｗが目標温度Ｔｗｔ未満と判断されると、暖機運転が依然として必要であることから、Ｓ３に戻って同様の処理（ガスエンジン１１の暖機運転）が繰り返される。また、現在の冷却液温度Ｔｗが目標温度Ｔｗｔ以上と判断され、あるいはＳ２において暖機運転判定がないと判断されると、暖機運転が完了していることから、通常運転制御が行われる（Ｓ８）。具体的には、ガスエンジン１１は、前述の態様で算出された空調負荷に基づく好適な回転速度で運転される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、圧縮機１２は、ガスエンジン１１に常時一体回転するように駆動連結され、該ガスエンジン１１との間に動力伝達を断接するクラッチなどを設ける必要がないため、部品点数及びコストを削減することができる。そして、冷却液温度Ｔｗが目標温度Ｔｗｔを下回るときには（ガスエンジン１１の冷間状態）、制御装置４１によりガスエンジン１１は暖房能力に基づく最大を含む所定範囲の回転速度ＮＭで暖機運転されるため、冷却液温度Ｔｗを速やかに上昇させることができる。この際、圧縮機１２の冷媒圧力に異常が生じて、吐出管１２ｂの冷媒圧力が高側所定圧力ＰＨを超え、あるいは吸入管１２ａの冷媒圧力が低側所定圧力ＰＬを下回ったときは、ホットガス弁１７により吸入管１２ａ及び吐出管１２ｂの間が連通されることで、圧縮機１２の冷媒圧力の異常が解消される。従って、圧縮機１２の暖機運転中、圧縮機１２の冷媒圧力の異常を解消するための該圧縮機１２の停止、即ちガスエンジン１１の停止が不要とされる。

以上により、部品点数を増大することなく、ガスエンジン１１の暖機運転時間を短縮することができ、暖房運転時、冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱熱交換器１６において、温度上昇した冷却液を速やかに利用することができるため、暖房の立ち上がりを向上することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態においては、ガスエンジン１１及び圧縮機１２の駆動連結は、常時一体回転するのであれば、これらの出力軸及び入力軸を伝動ベルト等を介して駆動連結してもよい。

・前記実施形態において、吸入管１２ａの冷媒圧力又は吐出管１２ｂの冷媒圧力を、任意の圧力を連続的に取得可能な圧力センサにて検出してもよい。この場合、各圧力センサの検出圧力と、低側所定圧力ＰＬ又は高側所定圧力ＰＨとの大小比較（閾値判定）に基づいてホットガス弁１７を駆動制御すればよい。

・前記実施形態において、室外機１０と組み合わされる室内機３０は一つであってもよい。あるいは、一つ又は複数の室内機３０と組み合わされる室外機１０は複数であってもよい。

Ｌ…冷却液回路、１…空気調和装置、１０…室外機、１１…ガスエンジン（エンジン）、１２…圧縮機、１２ａ…吸入管、１２ｂ…吐出管、１３ａ〜１３ｉ…冷媒配管、１５…室外機熱交換器、１６…エンジン排熱熱交換器、１７…ホットガス弁（バイパス弁）、２１…逆止弁、２２，２３，３３…電子膨張弁、３０…室内機、３１…室内機熱交換器、４１…制御装置（運転制御手段）、４２…低圧圧力スイッチ、４３…高圧圧力スイッチ。

Claims

エンジン、該エンジンに常時一体回転するように駆動連結されて冷媒を圧縮する圧縮機、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器、前記エンジンの排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路及び該冷却液回路に設けられ暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱熱交換器を有する室外機と、暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機とを備える空気調和装置において、
前記圧縮機の吐出管の冷媒圧力が高側所定圧力を超えたときに作動する高圧圧力スイッチと、
前記圧縮機の吸入管の冷媒圧力が低側所定圧力を下回ったときに作動する低圧圧力スイッチと、
前記吐出管及び前記吸入管の間を連通する連通部に設けられるバイパス弁と、
前記冷却液の温度が所定目標温度を下回るときに前記エンジンを暖房能力に基づく最大を含む所定範囲の回転速度で暖機運転し、前記冷却液の温度が前記所定目標温度を超えるときに前記エンジンを全室内機の空調負荷に対応する回転速度で運転する運転制御手段とを備え、
前記圧縮機は、前記エンジンの出力軸に前記圧縮機の入力軸が直結される態様で前記エンジンに駆動連結され、
前記運転制御手段は、暖房運転時、前記エンジンの暖機運転中に前記高圧圧力スイッチ又は前記低圧圧力スイッチの作動により前記連通部を連通させるように前記バイパス弁を開閉制御することを特徴とする空気調和装置。