JP5841921B2 - エンジン駆動ヒートポンプチラー - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーに関する。

従来、冷媒の凝縮熱で温水を作り、冷媒の蒸発熱で冷水を作るヒートポンプチラーが公知である。このヒートポンプチラーに要求される負荷側の温度範囲は、ヒートポンプ空調機に要求される負荷側の温度範囲よりも広い。ヒートポンプ空調機では、要求される温度範囲は、例えば、２０℃（暖房設定温度）から２７℃（冷房設定温度）である。一方、ヒートポンプチラーでは、要求される温度範囲は、例えば、７℃（冷水）から４５℃（温水）である。

特許文献１の特開昭５９−６０１５５は、外気側熱交換器３（空気熱交換器）、負荷側熱交換器７（水熱交換器）、及び外気温低下時作動蒸発器２４を有するヒートポンプチラーを開示している。このヒートポンプチラーは冷暖房運転が可能であり、四方弁２の切替により、外気側熱交換器３及び負荷側熱交換器７はそれぞれ凝縮器又は蒸発器として機能する。外気温低下時作動蒸発器２４は、温流体製造時にエンジン排熱を熱源として作動し（請求項１、公報３頁左下欄１５行〜１７行）、蒸発器としてのみ利用される。四方弁２の切替と関係なく、第１蒸発器（３、７）及び第２蒸発器（２４）は、冷媒の流れ方向に対して並列に位置している（図面）。

特許文献２の特許４５４９２０５は、室外熱交換器４（空気熱交換器）、室内熱交換器５、及びエンジン排熱回収器１５を有するヒートポンプ空調機を開示している。このヒートポンプ空調機は冷暖房運転が可能であり、四方弁３の切替により、室外熱交換器４及び室内熱交換器５はそれぞれ凝縮器又は蒸発器として機能する。エンジン排熱回収器１５は、暖房運転時にエンジン排熱を熱源として作動し、蒸発器としてのみ利用される。四方弁２の切替と関係なく、第１蒸発器（４、５）及び第２蒸発器（１５）は、冷媒の流れ方向に対して並列に位置している（図１）。また、特許文献２は、暖房運転時に、室外熱交換器４及びエンジン排熱回収器１５のそれぞれを通過する冷媒量を調整する制御も、開示している（段落００３０）。室外熱交換器４の冷媒量は、室外熱交換器４を通過した冷媒とエンジン排熱回収器１５を通過した冷媒の合流後の冷媒の過熱度に基づいて制御され、エンジン排熱回収器の冷媒量は、エンジン排熱回収器１５を通過した後の且つ合流前の過熱度に基づいて制御される（段落００３１）。

特開昭５９−６０１５５号公報 特許第４５４９２０５号公報

冷水運転時に負荷が小さくなる場合が発生する。これは、例えば、チラーに入る水の温度が７．１℃であるときに、チラーから出る水の温度が７．０℃に設定される場合を指している。このような場合、冷媒循環量を絞るために、圧縮機の運転台数を減少するように、且つ運転中の圧縮機の回転数を低下させるように、チラーが制御される。しかし、圧縮機の回転数が所定の許容最低回転数よりも低下すると、圧縮機の運転が継続できなくなる。このため、チラーの水熱交換器における熱交換量を、圧縮機の許容最低回転数に基づいて定まる能力以下に抑制できなった。また、水温が低い場合にチラーの運転が継続されると、水熱交換器内の水が凍結するという不具合があった。このように水温が低い状態で低負荷が要求される場合に、水温が目標温度に近づくとヒートポンプチラーを停止し、水温が上昇したら運転を再開する、いわゆる発停を繰返すことによって、水の凍結を防止できる。しかし、発停の繰り返しは、圧縮機に過負荷を掛けるという不具合を生じる。

このように、圧縮機が連続的に駆動される場合、冷水運転時に水熱交換器における熱交換量を圧縮機の許容最低回転数に基づいて定まる能力より下げられないという課題が存在する。特許文献１及び２は、このような課題の開示も示唆もなく、このような課題を解決できる構成も当然ながら開示していない。

そこで、本願発明は、圧縮機の駆動を停止させることなく、冷水運転時に水熱交換器における熱交換量を圧縮機の許容最低回転数に基づいて定まる能力より下げることができるヒートポンプチラーを提供する。

本発明に係るエンジン駆動ヒートポンプチラーは、冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーであって、空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器、又は空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する空気熱交換器と、気液二相冷媒を放熱源として前記水を冷却する冷却器、又は前記圧縮機の吐出冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する水熱交換器と、前記水熱交換器を冷却器として機能させる冷水運転と、前記水熱交換器を加熱器として機能させる温水運転とを切り替える運転切替機構と、排熱媒体を介して前記エンジンの排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱回収器と、前記温水運転時では前記空気熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調整し、前記冷水運転時では前記水熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第１膨張弁と、前記エンジン排熱回収器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第２膨張弁と、その冷媒流入部の下流に第１膨張弁及び第２膨張弁が並列に配置される流れ方向制御機構と、前記エンジン排熱回収器を流れる前記排熱媒体の流量を調節する流量調整弁と、設定された目標温度に、前記水熱交換器から排出される水の温度が収束するように、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置と、を備えており、前記制御装置は、前記冷水運転時に、前記回転数の低下により前記圧縮機の必要回転数が許容最低回転数以下である場合、前記冷媒及び前記排熱媒体が前記エンジン排熱回収器を流れるように前記第２膨張弁及び前記流量調整弁の開度を制御するように構成されている。

前記ヒートポンプチラーにおいて、前記制御装置は、前記回転数が所定回転数以下であり且つ排出される前記水の温度が前記目標温度以下である場合、又は前記回転数が所定回転数以下であり且つ前記圧縮機に戻る前記冷媒の圧力である冷媒低圧が所定圧力以下である場合に、前記圧縮機の必要回転数が許容最低回転数以下であると判定するように構成されている。

前記ヒートポンプチラーにおいて、前記制御装置は、前記温水運転の実行中且つ前記エンジン排熱回収器に前記排熱媒体が流されているときに、前記空気熱交換器を通過した前記冷媒に前記エンジン排熱回収器を通過した前記冷媒が合流した後の前記冷媒の過熱度に基づいて、前記第１膨張弁の開度を制御し、前記エンジン排熱回収器を通過した後の且つ合流前の前記冷媒の過熱度に基づいて、前記第２膨張弁の開度を制御する。

本発明に係るエンジン駆動ヒートポンプチラーは、圧縮機の駆動を停止させることなく、冷水運転時に水熱交換器における熱交換量を圧縮機の許容最低回転数に基づいて定まる能力より下げることができる。

第１実施形態に係るヒートポンプチラーの構成図である。 冷水運転におけるヒートポンプチラーの構成図である。 温水運転におけるヒートポンプチラーの構成図である。 低負荷時の冷水運転におけるヒートポンプチラーの構成図である。 冷媒低圧、冷媒高圧、及び圧縮機の使用可能圧力範囲の関係を示す図である。 第２実施形態に係る流れ方向制御機構の構成図である。 第３実施形態に係る流れ方向制御機構の構成図である。 第４実施形態に係る流れ方向制御機構の構成図である。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係るヒートポンプチラー１００を説明する。図１は、第１実施形態に係るヒートポンプチラー１００の構成図である。

ヒートポンプチラー１００は、冷媒が循環する冷媒回路１０、エンジン冷却水が循環する冷却水回路３０、熱媒体としての水が流れる水回路４０、制御装置５０、及び入力装置６０を備えている。ユーザは、入力装置６０を操作することにより、ヒートポンプチラー１００の運転を指令する。制御装置５０は、入力された指令に基づいて、冷媒回路１０、冷却水回路３０、及び水回路４０の駆動を制御する。この操作により、ヒートポンプチラー１００は、水回路４０を流れる水の温度を調整する。

冷媒回路１０は、圧縮機１、四方弁２、空気熱交換器３、水熱交換器４、エンジン排熱回収器５、第１膨張弁６、第２膨張弁７、及び流れ方向制御機構８を備えている。

また、冷媒回路１０は、吐出経路１１、吸入経路１２、ガス経路１３、液経路１４、高圧液経路１５、低圧液経路１６、液経路１７、ガス経路１８、高圧液経路１９、低圧液経路２０、及び低圧ガス経路２１を備えている。吐出経路１１は、圧縮機１及び四方弁２を接続している。吸入経路１２は、四方弁２及び圧縮機１を接続している。ガス経路１３は、四方弁２及び空気熱交換器３を接続している。液経路１４は、空気熱交換器３及び流れ方向制御機構８を接続している。高圧液経路１５は、流れ方向制御機構８及び第１膨張弁６を接続している。低圧液経路１６は、第１膨張弁６及び流れ方向制御機構８を接続している。液経路１７は、流れ方向制御機構８及び水熱交換器４を接続している。ガス経路１８は、水熱交換器４及び四方弁２を接続している。高圧液経路１９は、接続点Ｐ１で高圧液経路１５から分岐し、高圧液経路１５及び第２膨張弁７を接続している。低圧液経路２０は、第２膨張弁７及びエンジン排熱回収器５を接続している。低圧ガス経路２１は、エンジン排熱回収器５及び吸入経路１２を接続しており、接続点Ｐ２で吸入経路１２に合流している。合流経路１２ａは、吸入経路１２において接続点Ｐ２の下流側（圧縮機１側）を指している。

圧縮機１は、吸入経路１２から冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮し、その冷媒を吐出経路１１から吐出する。四方弁（運転切替機構）２は、冷水運転時に吐出経路１１をガス経路１３に且つ吸入経路１２をガス経路１８に接続し、温水運転時に吐出経路１１をガス経路１８に且つ吸入経路１２をガス経路１３に接続する。なお、冷水運転とは、水回路４０の水を冷却する運転状態をいい、温水運転とは、水回路４０の水を加熱する運転状態をいう。空気熱交換器３は、冷水運転時に空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器として機能し、温水運転時に空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する。水熱交換器４は、冷水運転時に気液二相冷媒を放熱源として水を冷却する冷却器として機能し、温水運転時に吐出経路１１の冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する。エンジン排熱回収器５は、後述のようにエンジン冷却水を介してエンジン３１の排熱を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する。第１膨張弁６は、温水運転時では空気熱交換器３に向かう液状態の冷媒の流量を調整し、冷水運転時では水熱交換器４に向かう液状態の冷媒の流量を調整する。第２膨張弁７は、エンジン排熱回収器５に向かう液状態の冷媒の流量を調整する。流れ方向制御機構８の冷媒流入部の下流に第１膨張弁６及び第２膨張弁７を並列に配置する。この結果、冷水運転時の冷媒の流れ方向では水熱交換器４及びエンジン排熱回収器５が並列に配置され、温水運転時の冷媒の流れ方向では空気熱交換器３及びエンジン排熱回収器５が並列に配置される。流れ方向制御機構８の構成を次に説明する。

図１において、流れ方向制御機構８は、閉経路８０と、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４とを備えている。４つの逆止弁８１、８２、８３、８４は、閉経路８０上に配置されている。閉経路８０において、２つの逆止弁８１、８２の入口は、他の２つの逆止弁８３、８４の入口とは反対側に配置されている。逆止弁８１、８２、８３、８４の隣り合う２つの間に、それぞれ、接続点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６が設けられている。液経路１４は接続点Ｐ３に接続されており、高圧液経路１５は接続点Ｐ４に接続されており、液経路１７は接続点Ｐ４に接続されており、低圧液経路１６は接続点Ｐ５に接続されている。流れ方向制御機構８の作用は、後述の冷水運転及び温水運転の説明において説明する。

冷却水回路３０は、エンジン３１、サーモスタットバルブ３２、三方弁３３、ラジエータ３４、及び前述のエンジン排熱回収器５を備えている。エンジン３１は、圧縮機１を駆動する。エンジン排熱回収器５は、冷媒回路１０及び冷却水回路３０の双方に属している。

また、冷却水回路３０は、主経路３５、戻り経路３６、及び排熱回収経路３７を備えている。主経路３５は、エンジン３１から、サーモスタットバルブ３２及び三方弁３３及びラジエータ３４を経由して、エンジン３１に冷却水を戻す。戻り経路３６は、サーモスタットバルブ３２において主経路３５から分岐し、ラジエータ３４の下流側で主経路３５に合流する。排熱回収経路３７は、三方弁３３において主経路３５から分岐し、エンジン排熱回収器５を経由してラジエータ３４の下流側で主経路３５に合流する。

サーモスタットバルブ３２は、主経路３５又はエンジン３１内の冷却水の温度に基づいて、主経路３５及び戻り経路３６のいずれか一方を開放し、他方を閉じる。冷却水の温度が所定温度（例えば６０℃）未満である場合、サーモスタットバルブ３２は主経路３５を閉じ且つ戻り経路３６を開く。この場合、冷却水はエンジン３１及びサーモスタットバルブ３２のみを循環する。つまり、低温の冷却水は、ラジエータ３４及びエンジン排熱回収器５に供給されない。冷却水の温度が所定温度以上である場合、サーモスタットバルブ３２は主経路３５を開き且つ戻り経路３６を閉じる。三方弁（流量制御弁）３３は、制御装置５０からの指令に基づいて、主経路３５及び排熱回収経路３７の開度を調節し、主経路３５及び排熱回収経路３７を流れる冷却水の流量を変更する。三方弁３３は、主経路３５及び排熱回収経路３７の一方を完全に閉じることもできる。三方弁３３が主経路３５を開いている場合、冷却水はラジエータ３４を経由してエンジン３１に戻る。三方弁３３が排熱回収経路３７を開いている場合、冷却水はエンジン排熱回収器５を経由してエンジン３１に戻る。この場合、冷却水がエンジン排熱回収器５に供給されるので、エンジン排熱回収器５がエンジン冷却水を介してエンジン３１の排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能できる。

水回路４０は、前述の水熱交換器４０、入水経路４１、及び出水経路４２を備えている。水熱交換器４０は、冷媒回路１０及び水回路４０の双方に属している。水回路４０は、閉回路及び開回路のどちらであってもよい。水回路４０が閉回路である場合、入水経路４１及び出水経路４２は、負荷側の熱交換器を介して接続されている。

ヒートポンプチラー１００は、各種のセンサを備えている。冷媒回路１０は、第１圧力センサ６１、第１温度センサ７１、第２圧力センサ６２、及び第２温度センサ７２を備えている。第１圧力センサ６１及び第１温度センサ７１はそれぞれ、合流経路１２ａ内の冷媒の圧力及び温度を検出する。第２圧力センサ６２及び第２温度センサ７２はそれぞれ、低圧ガス経路２１内の冷媒の圧力及び温度を検出する。冷却水回路３０は、エンジン３１の回転数を検出する回転数センサ３８を備えている。水回路４０は、入水温度センサ４３及び出水温度センサ４４を備えている。入水温度センサ４３は入水経路４１内の水の温度を検出し、出水温度センサ４４は出水経路４１内の水の温度を検出する。

図２を参照して、冷水運転を説明する。図２は、冷水運転におけるヒートポンプチラー１００の構成図である。

冷水運転において、四方弁２は吐出経路１１をガス経路１３に接続し、且つ吸入経路１２をガス経路１８に接続する。このため、圧縮機１から吐出される高圧ガス状態の冷媒が、空気熱交換器３に流れる。

空気熱交換器３を流れる冷媒の温度は、空気熱交換器３を流れる空気の温度よりも高いため、冷媒から空気に熱が移動する。この結果、冷媒は凝縮熱を失って液化し、高圧液状態の冷媒になる。つまり、空気熱交換器３は、空気を放熱源とする冷媒の凝縮器として機能している。

高圧液状態の冷媒は、空気熱交換器３から液経路１４を経由して流れ方向制御機構８の接続点Ｐ３に流れる。接続点Ｐ３は、冷水運転時における流れ方向制御機構８の冷媒流入部であり、逆止弁８１、８３の出口側に位置し、且つ逆止弁８２の入口側に位置している。このため、冷媒は、接続点Ｐ３から逆止弁８２及び接続点Ｐ４を経由して、高圧液経路１５に流れる。通常の冷水運転では、冷却水がエンジン排熱回収器５を流れないように三方弁３３が制御され、且つ第２膨張弁７が閉じられている。めこのため、冷媒は第１膨張弁６のみを通過する。第１膨張弁６において高圧液状態の冷媒は膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路１６から流れ方向制御機構８の接続点Ｐ６に流れる。接続点Ｐ６は、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４の入口側にあるが、上述した高圧液状態の冷媒が接続点Ｐ３、Ｐ４を流れている。圧力差のため、接続点Ｐ６の冷媒は、逆止弁８４のみを通過でき、逆止弁８１、８３を通過できない。このため、低圧気液二相冷媒は、接続点Ｐ６から、逆止弁８４及び接続点Ｐ５及び液経路１７を経由して、水熱交換器４に流れる。

水熱交換器４を流れる冷媒の温度は、水熱交換器４を流れる水の温度より低いため、水から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。また、水は冷媒への放熱により冷却される。つまり、水熱交換器４は、気液二相冷媒を放熱源とする水回路４０の冷却器として機能している。

低圧ガス状態の冷媒は、水熱交換器４からガス経路１８に流れる。吸入経路１２がガス経路１８に接続されているので、冷媒は圧縮機１に吸入される。

冷水運転が実行されている間、冷媒は上述の経路に沿って冷媒回路１０内を循環する。

図３を参照して、温水運転を説明する。図３は、温水運転におけるヒートポンプチラー１００の構成図である。

温水運転において、四方弁２は吐出経路１１をガス経路１８に接続し、且つ吸入経路１２をガス経路１３に接続する。このため、圧縮機１から吐出される高圧ガス状態の冷媒が、水熱交換器４に流れる。

水熱交換器４を流れる冷媒の温度は、水熱交換器４を流れる水の温度よりも高いため、冷媒から水に熱が移動する。この結果、冷媒は凝縮熱を失って液化し、高圧液状態の冷媒になる。また、水は冷媒からの吸熱により加熱される。つまり、水熱交換器４は、吐出経路１１の冷媒を吸熱源とする水回路４０の加熱器として機能している。

高圧液状態の冷媒は、水熱交換器４から液経路１７を経由して流れ方向制御機構８の接続点Ｐ５に流れる。接続点Ｐ５は、温水運転時における流れ方向制御機構８の冷媒流入部であり、逆止弁８３の入口側に位置し、且つ逆止弁８２、８４の出口側に位置している。このため、冷媒は、接続点Ｐ５から逆止弁８３及び接続点Ｐ４を経由して高圧液経路１５に流れる。冷媒は、高圧液経路１５から第１膨張弁６へと流れ、且つ高圧液経路１５の接続点Ｐ１から高圧液経路１９を経由して第２膨張弁７へと流れる。通常の温水運転では、冷媒は第１膨張弁６及び第２膨張弁７を通過する。第１膨張弁６において高圧液状態の冷媒は膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路１６から流れ方向制御機構８の接続点Ｐ６に流れる。接続点Ｐ６は、４つの逆止弁８１、８２、８３、８４の入口側にあるが、上述した高圧液状態の冷媒が接続点Ｐ４、Ｐ５を流れている。圧力差のため、接続点Ｐ６の冷媒は、逆止弁８１のみを通過でき、逆止弁８２、８４を通過できない。このため、低圧気液二相冷媒は、接続点Ｐ６から、逆止弁８１及び接続点Ｐ３及び液経路１４を経由して空気熱交換器３に流れる。第２膨張弁７を通過する冷媒の流れは後述する。

空気熱交換器３を流れる冷媒の温度は、空気熱交換器３を流れる空気の温度より低いため、空気から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。つまり、空気熱交換器３は、空気を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能している。

低圧ガス状態の冷媒は、空気熱交換器３からガス経路１３に流れる。吸入経路１２がガス経路１３に接続されているので、冷媒は圧縮機１に吸入される。

一方、第２膨張弁７を通過する冷媒は、第２膨張弁７において膨張し、低圧気液二相冷媒となる。低圧気液二相冷媒は、低圧液経路２０を経由してエンジン排熱回収器５に流れる。

エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の温度は、エンジン排熱回収器５を流れる冷却水の温度より低いため、冷却水から冷媒に熱が移動する。この結果、冷媒は蒸発熱を得て気化し、低圧ガス状態の冷媒になる。つまり、エンジン排熱回収器５は、冷却水を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能している。

低圧ガス状態の冷媒は、エンジン排熱回収器５から低圧ガス経路２１を経由して吸入経路１２に流れる。接続点Ｐ２において、エンジン排熱回収器５からの冷媒は、空気熱交換器３からの冷媒に合流する。合流した冷媒は、合流経路１２ａを流れて、圧縮機１に吸入される。

温水運転が実行されている間、冷媒は上述の経路に沿って冷媒回路１０内を循環する。

次に、冷水運転において実行される制御を説明する。

制御装置５０は、設定された目標温度に、水熱交換器４から排出される水の温度が収束するように、圧縮機１の回転数を制御している。目標温度の設定は、ユーザによる入力装置６０の操作によって行われる。水熱交換器４から排出される水の温度は、出水温度センサ４４によって検出される。

ヒートポンプチラー１００は、冷水運転時に低負荷のため圧縮機１を停止する必要がある場合、圧縮機１の停止を避けるために、エンジン３１の排熱を負荷として利用する。この場合に実行される冷水運転を、低負荷時の冷水運転とする。低負荷時の冷水運転において、制御装置５０は、通常の温水運転と同様に、冷媒及び冷却水がエンジン排熱回収器５を流れるように、三方弁３３及び第２膨張弁を制御する。

負荷の大きさが小さくなるにつれて、圧縮機１の回転数が小さくなるように、圧縮機１は制御される。上述の低負荷は、回転数の低下により圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以下となる場合の負荷を指している。本実施形態では、次の条件（１）又は（２）が満たされる場合に、前記圧縮機の必要回転数が許容最低回転数以下と判定される。

条件（１）：圧縮機１の回転数が所定回転数以下であり、且つ出水温度センサ４４の検出値が目標温度以下である。
条件（２）：圧縮機１の回転数が所定回転数以下であり、且つ冷媒低圧が所定圧力以下である。

圧縮機１の回転数は、回転数センサ３８の検出値に基づいて特定される。圧縮機１の回転数は、エンジン３１の回転数に対応している。冷媒低圧は、圧縮機１に吸入される冷媒の圧力（合流経路１２ａを流れる冷媒の圧力）であり、第１圧力センサ６１により検出される。所定回転数及び所定圧力は、次のように設定されている。圧縮機１には許容最低回転数及び冷媒低圧の下限値が存在している。このため、所定回転数は、許容最低回転数より一定幅だけ大きな値に設定されており、所定圧力は、冷媒低圧の下限値又はそれより一定幅だけ大きな値に設定されている。

冷水運転の実行が指令されているとき、圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以下となる場合に低負荷時の冷水運転が実行され、圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以上である場合に通常の冷水運転が実行される。通常の冷水運転では、第２膨張弁７は閉じられており、三方弁３３により排熱回収経路３７は閉じられている。圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以下となる場合、制御装置５０は、第２膨張弁７を開き、且つ排熱回収経路３７を開くように三方弁３３を制御する。一方、圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以上に復帰すると、制御装置５０は、第２膨張弁７を閉じ、且つ排熱回収経路３７を開くように三方弁３３を制御する。この場合、三方弁３３は、冷却水の全量がエンジン排熱回収器５を流れるように主経路３５を閉じても、一部の冷却水がエンジン排熱回収器５を流れるように開度を小さくしながら主経路３５を開いていても良い。以下では、低負荷時の冷水運転を、上述した通常の冷水運転と相違する点について、説明する。

図４を参照して、低負荷時の冷水運転を説明する。図４は、低負荷時の冷水運転におけるヒートポンプチラー１００の構成図である。

第２膨張弁７が開かれているので、冷媒は第２膨張弁７を通過し、エンジン排熱回収器５に流れる。接続点Ｐ２において、エンジン排熱回収器５からの冷媒は、空気熱交換器３からの冷媒に合流し、合流した冷媒が圧縮機１に吸入される。

低負荷時の冷水運転では、冷媒は、水熱交換器４側及びエンジン排熱回収器５に分配され、水熱交換器４及びエンジン排熱回収器５の双方で熱量を受け取る。ここで、エンジン排熱回収器５を流れる冷却水の温度は、上述したように６０℃以上であり、水回路４０を流れる水の温度よりも高い。このため、エンジン排熱回収器５における冷媒蒸発圧力が水熱交換器４における冷媒蒸発圧力よりも高くなり、水熱交換器４への冷媒流量が減少する。したがって、第２膨張弁を開くことによって、圧縮機１の回転数を低下させることなく、効率的に水熱交換器４における熱交換量を小さくすることができる。

図５を参照して、冷媒低圧の変化の観点から、エンジン排熱回収器５を蒸発器として利用する場合の効果を説明する。図５は、冷媒低圧、冷媒高圧、及び圧縮機１の使用可能圧力範囲の関係を示す図である。

図５において、横軸は冷媒低圧の大きさを示しており、縦軸は冷媒高圧の大きさを示している。冷媒低圧は、上述したように圧縮機１に吸入される冷媒の圧力（吸入経路１２を流れる冷媒の圧力）であり、第１圧力センサ６１によって検出される。冷媒高圧は、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力（吐出経路１１を流れる冷媒の圧力）であり、図示しない圧力センサよって検出される。圧縮機１を駆動する上で、許容される冷媒低圧の下限値が存在し、且つ許容される冷媒高圧の上限値が存在する。

図５において、四角形状の領域Ａは、圧縮機１の使用可能範囲を示している。斜線で示される三角形状の領域Ｕが、四角形状の領域Ａの左上側に位置している。この領域Ｕは、圧縮機１の使用不可能範囲を示している。不可能領域Ｕは、冷媒高圧が比較的高く、冷媒低圧が比較的低い領域を示している。図５において、状態Ｓ１は冷媒低圧ＰＬ１及び冷媒高圧ＰＨに対応する座標を示しており、状態Ｓ２は冷媒低圧ＰＬ２及び冷媒高圧ＰＨに対応する座標を示している。状態Ｓ１は不可能領域Ｕ内にあり、この場合、圧縮機１の駆動を維持することはできない。

上述した低負荷時の冷水運転は、水熱交換器４だけでなくエンジン排熱回収器５を蒸発器として利用している。冷媒低圧は、水熱交換器４を流れる冷媒の流量及び蒸発圧力と、エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の流量及び蒸発圧力とによって決定される。このため、水熱交換器４を流れる冷媒の蒸発圧力が小さくても、エンジン排熱回収器５を流れる冷媒の蒸発圧力が大きければ、冷媒全体の蒸発圧力が大きくなる。この結果、冷媒低圧が大きくなる。冷媒低圧の増大により、不可能領域Ｕ内の状態Ｓ１が可能領域Ａ内の状態Ｓ２に移行すると、圧縮機１の駆動を維持することができる。

次に、図３を参照して、温水運転において実行される制御を説明する。

通常の温水運転では、上述したように、エンジン排熱回収器５に冷却水が流されている。通常の温水運転において、制御装置５０は、合流経路１２ａを流れる冷媒の過熱度に基づいて第１膨張弁６の開度を制御し、低圧ガス経路２１を流れる冷媒の過熱度に基づいて第２膨張弁７の開度を制御する。より詳しくは、冷媒低圧が上述の所定圧力より小さくならないように第１膨張弁６の開度が制御され、冷媒低圧が上述の所定圧力よりも大きい限り、圧縮機１に掛かる負荷が最小となるように第１膨張弁６及び第２膨張弁７の開度が制御される。

冷媒の過熱度は、冷媒の圧力及び冷媒の温度を検出することによって特定できる。具体的には、冷媒の飽和蒸気線に基づいて冷媒の圧力に対応する飽和蒸気温度が特定され、過熱度が冷媒の温度と飽和蒸気温度との温度差として特定される。このため、合流経路１２ａを流れる冷媒の過熱度は、第１圧力センサ６１による検出値及び第１温度センサ７１による検出値に基づいて特定される。同様に、低圧ガス経路２１を流れる冷媒の過熱度は、第２圧力センサ６２による検出値及び第２温度センサ７２による検出値に基づいて特定される。

更に、低圧ガス経路２１の過熱度が、合流経路１２ａの過熱度よりも所定過熱度以上となるように制御されても良い。この場合、空気熱交換器３を通過する外気温度に応じてエンジン排熱回収器５を通過する冷媒の流量が調整されるので、エンジン排熱回収器５によって圧力損失を受ける冷媒の流量が抑制される。

（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態に係るヒートポンプチラーの流れ方向制御機構２０８を説明する。図６は、第２実施形態に係る流れ方向制御機構２０８の構成図である。

図６において、第２実施形態に係るヒートポンプチラーは、第１実施形態に係る液経路１４、１７、及び高圧液経路１９に代えて、液経路２１４、２１７及び高圧液経路２１９を備えている。液経路２１４は、空気熱交換器３及び第１膨張弁６を接続している。液経路２１７は、第１膨張弁６及び水熱交換器４を接続している。高圧液経路２１９は、流れ方向制御機構２０８及び第２膨張弁７を接続している。

流れ方向制御機構２０８は、開経路２８０と、２つの電磁弁２８１、２８２とを備えている。２つの電磁弁２８１、２８２は、開経路２８０上に配置されている。開経路２８０の一端は接続点Ｐ２１であり、他端は接続点Ｐ２２であり、２つの電磁弁２８１、２８２の間に接続点Ｐ２３が配置されている。開経路２８０は接続点Ｐ２１で液経路２１４の中途部に接続されている。開経路２８０は接続点Ｐ２２で液経路２１７の中途部に接続されている。高圧液経路２１９は接続点Ｐ２３で開経路２８０に接続されている。

冷水運転では、電磁弁２８１が開かれ、且つ電磁弁２８２が閉じられる。このため、空気熱交換器３からの冷媒は、接続点Ｐ２１を冷媒流入部として第１膨張弁６及び接続点Ｐ２２及び液経路２１７を経由して、水熱交換器４に流れる。第２膨張弁７の開度が制御される場合、この冷媒は、液経路２１４から、接続点Ｐ２１及び電磁弁２８１及び接続点Ｐ２３及び高圧液経路２１９を経由して、第２膨張弁７に流れる。温水運転では、電磁弁２８１が閉じられ、且つ電磁弁２８２が開かれる。このため、水熱交換器４からの冷媒は、接続点Ｐ２２を冷媒流入部として液経路２１７から第１膨張弁６及び液経路２１４を経由して空気熱交換器３に流れる。また、この冷媒は、液経路２１７から、接続点Ｐ２２及び電磁弁２８２及び接続点Ｐ２３及び高圧液経路２１９を経由して、第２膨張弁７に流れる。

（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態に係るヒートポンプチラーの流れ方向制御機構３０８を説明する。図７は、第３実施形態に係る流れ方向制御機構３０８の構成図である。

図７において、第３実施形態に係るヒートポンプチラーは、第２実施形態と同様に、液経路２１４、２１７及び高圧液経路２１９を備えている。

第３実施形態に係る流れ方向制御機構３０８は、第２実施形態に係る２つの電磁弁２８１、２８２に代えて、２つの逆止弁３８１、３８２を備えている。他の構成は、第３実施形態と第２実施形態との間で同一である。接続点Ｐ２３は、２つの逆止弁３８１、３８２の出口側に位置している。

冷水運転では、空気熱交換器３からの冷媒は、接続点Ｐ２１を冷媒流入部として液経路２１４及び第１膨張弁６及び液経路２１７を経由して、水熱交換器４に流れる。第２膨張弁７の開度が制御される場合、この冷媒は、液経路２１４及び接続点Ｐ２１及び逆止弁３８１及び接続点Ｐ２３及び高圧液経路２１９を経由して、第２膨張弁７に流れる。なお、接続点Ｐ２３の圧力が接続点Ｐ２２の圧力よりも高いので、冷媒は接続点Ｐ２３から逆止弁３８２を経由して接続点Ｐ２１に流れない。温水運転では、水熱交換器４からの冷媒は、接続点Ｐ２２を冷媒流入部として液経路２１７及び第１膨張弁６及び液経路２１４を経由して、空気熱交換器３に流れる。また、この冷媒は、液経路２１７及び接続点Ｐ２２及び逆止弁３８２及び接続点Ｐ２３及び高圧液経路２１９を経由して、第２膨張弁７に流れる。なお、接続点Ｐ２３の圧力が接続点Ｐ２１の圧力よりも高いので、冷媒は接続点Ｐ２１から逆止弁３８１を経由して接続点Ｐ２３に流れない。

（第４実施形態）
図８を参照して、第４実施形態に係るヒートポンプチラーの流れ方向制御機構４０８を説明する。図８は、第４実施形態に係る流れ方向制御機構４０８の構成図である。

図８において、第４実施形態に係るヒートポンプチラーは、第１−３実施形態における１つの第１膨張弁６に代えて２つの第１膨張弁１０６、２０６を備えており、第２実施形態と同様に、液経路２１４、２１７及び高圧液経路２１９を備えている。ただし、液経路２１４は、空気熱交換器３及び一方の第１膨張弁１０６を接続し、液経路２１７は、他方の第１膨張弁２０６及び水熱交換器４を接続している。

流れ方向制御機構４０８は、２つの開経路４１０、４２０と、接続経路４３０と、２つの逆止弁４８１、４８２を備えている。開経路４１０は、接続点Ｐ４１で液経路２１４から分岐し、逆止弁４８１を経由して第１膨張弁１０６に接続されている。開経路４２０は、接続点Ｐ４２で液経路２１７から分岐し、逆止弁４８２を経由して第１膨張弁２０６に接続されている。接続経路４３０は、２つの第１膨張弁１０６、２０６を接続している。開経路４１０は接続点Ｐ４３で接続経路４３０から分岐しており、開経路４２０は接続点Ｐ４４で接続経路４３０から分岐している。高圧液経路２１９は接続点Ｐ４５で接続経路４３０に接続されている。逆止弁４８１は開経路４１０上で接続点Ｐ４１、Ｐ４３の間に配置されており、接続点Ｐ４３が逆止弁４８１の出口側に位置する。逆止弁４８２は開経路４２０上で接続点Ｐ４２、Ｐ４４の間に配置されており、接続点Ｐ４４が逆止弁４８２の出口側に位置する。

冷水運転では、第２膨張弁２０６の開度を制御する。空気熱交換器３からの冷媒は、液経路２１４から、接続点Ｐ４１を冷媒流入部として、第１膨張弁１０６または逆止弁４８１、接続点Ｐ４３、接続経路４３０、接続点Ｐ４４、第２膨張弁２０６、接続点Ｐ４２、及び液経路２１７を経由して、水熱交換器４に流れる。また、この冷媒は、接続経路４３０から接続点Ｐ４５及び高圧圧液経路２１９を経由して第２膨張弁７に流れる。温水運転では、第１膨張弁１０６の開度が制御される。温水運転では、水熱交換器４からの冷媒は、液経路２１７から、接続点Ｐ４２を冷媒流入部として、第２膨張弁または逆止弁４８２、接続点Ｐ４４、接続経路４３０、接続点Ｐ４３、第１膨張弁１０６及び液経路２１４を経由して、空気熱交換器３に流れる。また、この冷媒は、接続経路４３０から接続点Ｐ４５及び高圧液経路２１９を経由して第２膨張弁７に流れる。

（本実施形態の効果）
本実施形態に係るヒートポンプチラー１００は、上述の構成により次の効果を有している。

（１）第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーは、空気熱交換器３と、水熱交換器４と、運転切替機構（四方弁２）と、エンジン排熱回収器５と、第１膨張弁６と、第２膨張弁７と、流れ方向制御機構８と、流量調整弁（三方弁３３）と、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、冷水運転時に回転数の低下により圧縮機１が失速する虞がある場合、冷媒及び排熱媒体（冷却水）がエンジン排熱回収器５を流れるように第２膨張弁７及び流量調整弁（三方弁３３）を開く。

冷水運転時に冷媒及び排熱媒体（冷却水）がエンジン排熱回収器５を流れると、エンジン排熱回収器５で熱交換が行われるため、相対的に水熱交換器４における熱交換量が小さくなる。このため、第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーは、圧縮機の駆動を停止させることなく、冷水運転時に水熱交換器における熱交換量を圧縮機の許容最低回転数に基づいて定まる能力より下げることができる。

（２）第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーにおいて、制御装置５０は、回転数が所定回転数以下であり且つ出水温度センサ４３の検出値が目標温度以下である場合、又は回転数が所定回転数以下であり且つ冷媒低圧が所定圧力以下である場合に、圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以下であると判定する。

このため、第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーは、水の温度制御に必要な構成を利用して、圧縮機１の必要回転数が許容最低回転数以下になるか否かを判定できる。

（３）第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーにおいて、制御装置５０は、温水運転の実行中且つエンジン排熱回収器５に排熱媒体（冷却水）が流されているときに、合流経路１２ａを流れる冷媒の過熱度に基づいて第１膨張弁６、１０６、２０６の開度を制御し、低圧ガス経路２１を流れる冷媒の過熱度に基づいて、第２膨張弁７の開度を制御する。

冷媒低圧及び冷媒高圧は、水回路４０側における負荷の大きさに応じて変化する。また、水熱交換器４及びエンジン排熱回収器５のそれぞれを流れる冷媒の流量が調整されると、冷媒低圧及び冷媒高圧が変化する。このため、第１−４実施形態に係るヒートポンプチラーは、冷媒低圧及び冷媒高圧を許容される範囲内に留めながら、対応できる負荷の範囲を拡張できる。

１ 圧縮機
２ 四方弁（運転切替機構）
３ 空気熱交換器
４ 水熱交換器
５ エンジン排熱回収器
６、１０６、２０６ 第１膨張弁
７ 第２膨張弁
８ 流れ方向制御機構
３１ エンジン
３３ 三方弁（流量調整弁）
５０ 制御装置
１００ ヒートポンプチラー

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機をエンジンにより駆動し、前記冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により熱媒体としての水の温度を調節する、エンジン駆動ヒートポンプチラーであって、
   空気を放熱源として冷媒を液化する凝縮器、又は空気を吸熱源として冷媒を気化する蒸発器として機能する空気熱交換器と、
   気液二相冷媒を放熱源として前記水を冷却する冷却器、又は前記圧縮機の吐出冷媒を吸熱源として水を加熱する加熱器として機能する水熱交換器と、
   前記水熱交換器を冷却器として機能させる冷水運転と、前記水熱交換器を加熱器として機能させる温水運転とを切り替える運転切替機構と、
   排熱媒体を介して前記エンジンの排熱を吸熱源とする冷媒の蒸発器として機能するエンジン排熱回収器と、
   前記温水運転時では前記空気熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調整し、前記冷水運転時では前記水熱交換器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第１膨張弁と、
   前記エンジン排熱回収器に向かう液状態の前記冷媒の流量を調節する第２膨張弁と、
   その冷媒流入部の下流に第１膨張弁及び第２膨張弁が並列に配置される流れ方向制御機構と、
   前記エンジン排熱回収器を流れる前記排熱媒体の流量を調節する流量調整弁と、
   設定された目標温度に、前記水熱交換器から排出される水の温度が収束するように、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置と、を備えており、
   前記制御装置は、前記冷水運転時に、前記回転数が所定回転数以下であり且つ排出される前記水の温度が前記目標温度以下である場合に、前記圧縮機の必要回転数が許容最低回転数以下であると判定して前記冷媒及び前記排熱媒体が前記エンジン排熱回収器を流れるように前記第２膨張弁及び前記流量調整弁の開度を制御するように構成されている、エンジン駆動ヒートポンプチラー。
2. 前記制御装置は、前記温水運転の実行中且つ前記エンジン排熱回収器に前記排熱媒体が流されているときに、前記空気熱交換器を通過した前記冷媒に前記エンジン排熱回収器を通過した前記冷媒が合流した後の前記冷媒の過熱度に基づいて、前記第１膨張弁の開度を制御し、前記エンジン排熱回収器を通過した後の且つ合流前の前記冷媒の過熱度に基づいて、前記第２膨張弁の開度を制御する、請求項１に記載のエンジン駆動ヒートポンプチラー。

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